超高效 AlGaN 深紫外 LED：超晶格 p 型电子阻挡层实现近零效率下降

摘要

本研究展示了一种近乎无效率下降的 270 nm AlGaN 深紫外 LED。关键创新在于特制的超晶格 p 型电子阻挡层（p-EBL），它提供高空穴浓度，增强空穴向多量子阱（MQWs）注入。增加的空穴密度促进辐射复合并抑制电子泄漏，使外量子效率（EQE）较常规设计提高一倍。

背景

200–280 nm 深紫外（DUV）光对水净化系统等应用至关重要。AlGaN 基 DUV LED 因低驱动电压和兼容现有净化架构而具吸引力。然而，在 280 nm 以下波长实现高 EQE 仍具挑战。Al 丰富量子阱中的线位错密度（TDD）通常达 10⁹ cm⁻²，严重限制内量子效率（IQE）。即使 TDD 降至 10⁸ cm⁻²，注入电流密度超过 80 A cm⁻² 时的效率下降仍可将 EQE 压至 5% 以下。裸 DUV 芯片的光提取效率（LEE）经 FDTD 模拟估算仅约 10%。III-氮化物 LED 效率下降的主要原因是电子溢流进入 p 型空穴注入层，那里的自由空穴浓度低至 10¹⁷ cm⁻³。插入尖峰层、梯度 Al 组分、添加低 Al 组分 AlGaN 层等策略虽改善电子捕获，但 Al 丰富 p-EBL 的空穴阻挡效应仍是 DUV LED 的瓶颈。超晶格 p-EBL 在蓝光 LED 中已证实能增强空穴传输并减少电子泄漏，但 DUV 器件的实验证据稀缺。本工作实验证明，特定设计的 AlGaN/AlGaN 超晶格 p-EBL 能同时改善空穴注入和抑制效率下降，实现近零下降和 EQE 提升 100%。

方法/实验

两种 LED 结构（LED A 和 LED B，见图 1）在通过氢化物气相外延（HVPE）在 c 面蓝宝石上制备的 4-µm 厚 AlN 模板上生长。20 周期 AlN/Al₀.₅₀Ga₀.₅₀N 超晶格作为应力缓冲层。2-µm 厚 n-Al₀.₆₀Ga₀.₄₀N 层（电子浓度 1×10¹⁸ cm⁻³）提供 n 接触。有源区含 5 周期 Al₀.₄₅Ga₀.₅₅N 量子阱（3 nm）和 Al₀.₅₆Ga₀.₄₄N 势垒（12 nm）。10-nm 厚 AlGaN p-EBL 覆盖 MQWs。LED A 采用块体 Al₀.₆₀Ga₀.₄₀N p-EBL，LED B 引入 5 周期超晶格：1-nm Al₀.₄₅Ga₀.₅₅N / 1-nm Al₀.₆₀Ga₀.₄₀N。该设计在最后势垒/EBL 界面立即开始超晶格，诱导负极化片电荷，耗尽电子并减少泄漏。后续层包括 50 nm p-Al₀.₄₀Ga₀.₆₀N 和 50 nm p-GaN，最后 10 nm 重 Mg 掺杂 p⁺-GaN 盖层。800 °C N₂ 中退火 15 min 激活 Mg 施主，得空穴浓度 ~1×10¹⁷ cm⁻³（p-AlGaN）和 ~3×10¹⁷ cm⁻³（p-GaN）。

器件加工成倒装芯片 LED，发光区 650×320 µm²。Ti/Al n 側接触 900 °C 退火 1 min。Ni/Au 电流扩展层 550 °C 退火 5 min。最终 n/p 电极为 Ti/Al/Ni/Au 叠层。蓝宝石侧积分球测量光提取。

数值模拟用 APSYS 软件，含 SRH 寿命（10 ns）、奥歇系数（1×10⁻³⁰ cm⁶ s⁻¹）、50:50 能带偏移比、[0001] 取向 40% 极化。裸 DUV 芯片 LEE 设为 10%。

结果与讨论

测量电致发光（EL）谱（图 2a）显示两器件在测试电流范围内峰值稳定在 ~270 nm，证实自热效应极小。LED B EL 强度更强。光功率和 EQE 对电流密度曲线（图 2b）显示 LED B EQE 提升 ~90%，110 A cm⁻² 时效率下降从 ~24%（LED A）降至 ~4%（LED B）。数值结果（图 2c）与实验吻合，验证模型。

图 3a 显示 LED B MQWs 中空穴浓度更高。超晶格 p-EBL 将空穴密度提升两个数量级（图 3b），降低价带势垒高度，促进热激发空穴传输。结果电子泄漏至 p 型层被抑制，空穴注入层电子浓度降低（图 3d）。

辐射复合率（图 4）在 LED B 中更高，确认改善的空穴注入直接提升光子生成并缓解下降。

能带模拟（图 5）显示超晶格 p-EBL 将导带势垒从 ~295 meV 提升至 ~391 meV，价带势垒从 ~324 meV 降至 ~281 meV，从而抑制电子逃逸并增强空穴热激发发射。势垒降低亦减小正向电压（图 5c）。

结论

本工作证实，精心设计的 AlGaN/AlGaN 超晶格 p-EBL 能在 270 nm DUV LED 中同时增强空穴注入和抑制电子泄漏。结果为 EQE 提升 100% 且效率下降大幅降低，使器件逼近理论极限。研究为下一代高效 DUV 发射器指明路径，深化了对 III-氮化物光电子学载流子动力学的理解。

缩写

APSYS

半导体器件先进物理模型

DUV

深紫外发光二极管

EL

电致发光

EQE

外量子效率

HVPE

氢化物气相外延

ICP

电感耦合等离子体

IQE

内量子效率

LEE

光提取效率

MOCVD

金属有机化学气相沉积

MQWs

多量子阱

p-EBL

p 型电子阻挡层

TDD

线位错密度