PNP-AlGaN结构增强AlGaN基深紫外LED电流展宽

摘要

我们研究掺入p-AlGaN/n-AlGaN/p-AlGaN（PNP-AlGaN）电流展宽层的AlGaN基深紫外发光二极管（DUV LEDs）。PNP-AlGaN结构引入价带势垒，重塑横向电流流动，从而改善正向电压、外量子效率（EQE）、光功率和壁插效率（WPE），优于无此结构的常规DUV LEDs。

引言

自2003年首次演示以来，AlGaN基DUV LEDs已成为水消毒、空气净化等紫外应用关键器件。然而发射波长低于300 nm时，EQE通常<10%，主因内量子效率（IQE）受限于载流子注入和位错介导复合。许多DUV器件采用蓝宝石衬底倒装结构增强取光，但需n、p电极同侧，导致横向电流密度不均、产生著名电流拥挤效应。电流拥挤引起局部焦耳热和发光不均，缩短器件寿命。Al富集p-AlGaN中Mg掺杂效率低进一步阻碍电导率，凸显改善电流展宽必要性。

虽然选择性离子注入、阻流层、氮空位工程、优化欧姆接触等策略成功缓解GaN基蓝光LED电流拥挤，但DUV LEDs类似方案稀缺。本文提出p-AlGaN/n-AlGaN/p-AlGaN（PNP-AlGaN）电流展宽层，产生价带势垒，调制p型空穴注入层电阻率，引导横向电流流动。通过优化PNP-AlGaN设计，显著提升EQE、WPE并降低正向电压。并全面考察PNP环数、Si掺杂、层厚、AlN组分对器件性能影响。

研究方法与物理模型

所有模拟器件包含4 μm厚n-Al₀.₆₀Ga₀.₄₀N基底（Si 5×10¹⁸ cm⁻³），随后五周期3 nm Al₀.₄₅Ga₀.₅₅N/12 nm Al₀.₅₆Ga₀.₄₄N多量子阱（MQWs）。MQWs覆盖18 nm p-Al₀.₆₀Ga₀.₄₀N电子阻挡层（EBL）、198 nm p-Al₀.₄₀Ga₀.₆₀N层、50 nm p-GaN盖层。空穴浓度全程设3×10¹⁷ cm⁻³。PNP-AlGaN器件中，常规p-Al₀.₄₀Ga₀.₆₀N层替换为p-Al₀.₄₀Ga₀.₆₀N/n-AlₓGa₁₋ₓN/p-Al₀.₄₀Ga₀.₆₀N堆栈（图1b）。n-AlₓGa₁₋ₓN插入层Si掺杂（5.3×10¹⁷ cm⁻³）、厚20 nm，形成价带势垒塑造横向电流流动（图1c）。

a 研究器件示意图（参考LED A和PNPNP-AlGaN LED），b PNP-AlGaN堆栈，c 价带图解势垒高度φ₁、φ₂、φₙ。

为阐释机制，将蓝宝石衬底DUV LED建模为等效电路（图2a）。薄电流展宽层（≈200 nm）和厚n-AlGaN注入层（≈4 μm）导致横向电流密度从p电极向外递减，产生电流拥挤。引入PNP-AlGaN将总电流分为垂直分量（J₁）和水平分量（J₂）（图2b）。关系式为：

$$\frac{J_1}{J_2}\approx\frac{l}{\frac{\rho_p}{\rho_{\mathrm{CL}}}t_p+\frac{N\cdot\rho_{\mathrm{PNP}}}{\rho_{\mathrm{CL}}}}$$

其中ρ_p为p层电阻率，ρ_CL展宽层电阻率，ρ_PNP每个PNP结界面电阻率，N为结数。式中降低ρ_CL或增加ρ_PNP（通过增厚或重掺杂n-AlGaN）可增强水平电流J₂，改善展宽。

a 电流拥挤等效电路（J₁>J₂>…），b PNP-AlGaN LED简化电路，指示J₁和J₂。

器件物理用APSYS模拟，AlGaN/AlGaN异质结采用50:50导/价带偏移比，40%极化电荷，奥热系数1.0×10⁻³⁰ cm⁶/s，SRH寿命10 ns，DUV LEDs取光效率8%。

结果与讨论

PNP-AlGaN结有效性

对比参考LED A（无PNP-AlGaN）与LED B（两PNP-AlGaN环），空穴到达MQWs前遇两个价带势垒，促进横向均匀化（图3a）。末端量子阱（LQW）横向空穴分布确认LED B分布更均匀（图3b），符合能带分析。

a LED B在170 A/cm²下能带图；b LED A与B LQW横向空穴分布。

距台面边缘230 µm处空穴浓度和辐射复合分布显示，LED B受益于更高空穴注入MQWs，EQE提升22.2%（3.38%→4.13%），正向电压微增（图5b）。尽管如此，壁插效率（WPE）从3.56%增至4.27%（图5c）。PNP-AlGaN结更大电压降解释高电流密度下WPE下降（图8）。

a 输出功率密度与EQE对电流；b I-V特性；c WPE对电流，LED A与B。

优化n-AlGaN厚度

将20 nm n-AlGaN插入层从6至34 nm变化，系统增加价带势垒高度（表1）。增强势垒提高界面电阻率（ρ_PNP），驱动更多横向电流，均匀分布LQW空穴（图6a）。相应空穴浓度和MQWs辐射复合上升，提升EQE和光功率（图7a）。但正向电压随势垒高度攀升，WPE在20 nm插入层达峰值后随增厚下降（图8）。结果凸显展宽收益与额外电压损耗权衡，指导最佳插入厚度。

a LQW横向空穴分布；b 空穴浓度与c MQWs辐射复合，LED A、T1-T5。

a 光功率密度；b I-V特性；插图：放大I-V。

LED A、T1-T5 WPE对电流；插图：170 A/cm²处WPE与EQE。

n-AlGaN掺杂影响

20 nm n-AlGaN中Si掺杂从1.3×10¹⁷增至1.73×10¹⁸ cm⁻³提高价带势垒（表2），增强横向电流、均匀化空穴分布（图9a）。MQWs空穴浓度升高导致辐射复合和EQE改善（图10a）。但掺杂超1.33×10¹⁸ cm⁻³时正向电压剧增，显示寄生二极管效应，WPE随电压损耗主导而下降（图11）。

a 横向空穴分布；b 空穴浓度与c MQWs辐射复合。

a 输出功率密度与EQE对电流；b I-V特性；插图：放大I-V。

LED A、D1-D5 WPE对电流；插图：170 A/cm²处WPE与EQE。

PNP-AlGaN结数量效应

固定20 nm、5.3×10¹⁷ cm⁻³ n-AlGaN、AlN=0.40，对比1至4个PNP-AlGaN环（LED N1-N4）。更多环增加累积势垒（表3），进一步拉平横向空穴分布（图12a），提升空穴浓度和辐射复合（图12b,c）。EQE和输出功率随环数上升，正向电压适度增加（图13b）。WPE保持稳定，EQE和WPE四环后趋饱和，指示p层过薄无法供足够空穴时收益递减。

a 横向空穴分布；b 空穴浓度；c 辐射复合，LED A、N1-N4。

a 输出功率与EQE对电流；b I-V特性；插图：放大I-V。

LED A、N1-N4 WPE对电流；插图：170 A/cm²处WPE与EQE。

n-AlGaN中AlN组分效应

20 nm n-AlGaN中AlN分数从0.40增至0.51提高价带势垒（表4）。适度增至0.43优化电流展宽且不严重阻碍空穴注入。更高组分势垒过大，降低空穴穿透（图15a,b）。EQE随组分升至0.43改善，正向电压随AlN分数升高攀升（图16b）。WPE在>89 A/cm⁻²时于0.51达峰值，说明需平衡展宽与电压惩罚（图17）。

a 横向空穴分布；b 空穴浓度；c 辐射复合，LED A与C1-C5。

a 输出功率与EQE对电流；b I-V特性，LED A-C5。

LED A、C1-C5 WPE对电流；插图：170 A/cm²处WPE与EQE。

结论

研究证明p-AlGaN/n-AlGaN/p-AlGaN（PNP-AlGaN）结有效改善AlGaN基DUV LEDs电流展宽。通过调节插入层厚度、Si掺杂、AlN组分和结数，增加垂直电阻同时增强横向电流，提升EQE和WPE。但过高势垒或过多结增加正向电压并可能降低WPE。因此，平衡优化所有四参数对最大化器件效率至关重要。