优化量子阱宽度以实现AlGaN深紫外LED跨温度峰值电致发光

摘要

我们研究了量子阱（QW）厚度如何影响AlGaN深紫外LED在宽温度范围内的电致发光（EL）性能。室温（RT）下，3.5 nm QW器件的外量子效率（EQE）比2 nm器件高6.8倍，5 K时高8.2倍。相反，3.5 nm器件在RT下比5 nm器件高4.8倍，但在5 K时仅高1.6倍。这些趋势源于低温下非辐射复合减少和有源区体积增大。模拟显示2 nm阱因量子限域提供最浅电子溢出势垒，而5 nm阱受量子限域斯塔克效应（QCSE）影响最大。因此，3.5 nm器件在各温度下实现最高峰值EQE。随温度下降，所有LED达到峰值EQE所需电流减小，归因于电子溢出增加和空穴浓度降低。研究阐明了AlGaN深紫外LED中极化场、电子溢出和温度的相互作用。

背景

AlGaN基深紫外LED已成为固态照明、杀菌和生化传感的关键器件。晶体质量、p型掺杂和器件结构的进步——如AlN高温退火、蓝宝石衬底AlN厚膜生长、同质外延缺陷工程——稳步提升性能。然而，实现高外量子效率（EQE）仍具挑战，主要因氮化镓固有的强自发极化和压电场导致能带倾斜和载流子分离。Hirayama等人先前工作表明单QW AlGaN LED中1.5-1.7 nm QW宽度产生最亮光致发光，更薄阱在异质界面遭受更多非辐射复合。基于这些洞见，我们制备了三种不同QW宽度（2.0、3.5、5.0 nm）的DUV LED，系统考察阱宽度和工作温度如何决定EL特性。

方法

所有器件在c面蓝宝石上用金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长。1.0 μm AlN缓冲层后生长0.5 μm非掺杂Al₀.₆Ga₀.₄N层和1.0 μm n-Al₀.₆Ga₀.₄N模板，位错密度~6×10⁹ cm⁻²（TEM）。有源区含Al₀.₄₉Ga₀.₅₁N/Al₀.₅₈Ga₀.₄₂N多量子阱，势垒5.0 nm。制备三个样品——LED A（2.0 nm QW）、LED B（3.5 nm QW）、LED C（5.0 nm QW）。标准光刻定义500 μm×500 μm p-n结。反应离子刻蚀暴露n-Al₀.₆Ga₀.₄N欧姆层。Ti/Al/Ni/Au（15/80/12/60 nm）电子束蒸发沉积，900 °C N₂中退火30 s。透明p电极用Ni/Au（6/12 nm），空气中600 °C退火3 min；最后Ni/Au（5/60 nm）层完成器件。用Jonin Yvon Symphony UV增强液氮冷却CCD记录5 K至RT的EL谱。脉冲注入（1 μs脉冲，0.5%占空比）缓解自热效应。

结果与讨论

图1a显示LED A、B、C在100 mA正向偏置下的室温EL谱。归一化至带带发射，峰波长从~261 nm（A）红移至~268 nm（C），随QW宽度增加红移。LED A中~304 nm处弱寄生峰指示电子溢出。图1b绘制相对EQE随脉冲电流变化，归一化至LED B峰值EQE。RT下LED B最大EQE超LED A 6.8倍，超LED C 4.8倍。APSYS模拟阐释底层物理。图2a-c展示100 mA注入下的能带图、基态能级和载流子波函数。内部场倾斜QW能带廓线，QCSE随QW变宽减弱电子-空穴波函数重叠。基态能量分别为4.733、4.669、4.637 eV（A、B、C），匹配观测波长。势垒高度从0.030 eV（A）升至0.069 eV（C），但LED A仍受电子溢出困扰，而LED C效率受QCSE限制。因此，3.5 nm阱平衡限域和重叠，产生最高EQE。低温下相对EQE曲线显著变化。图3a显示5 K时LED B最大EQE比LED A高8.2倍，比LED C高1.6倍。图3b揭示所有器件达到峰值EQE所需电流随温度下降而减小。冷却导致空穴浓度下降——因p-AlGaN中Mg电离能——减少载流子可用性，而电子溢出电流J_overflow = D(ΔE/kT)³ q B l随T降低而增大。因此最佳注入点移向低电流。5 K时非辐射中心冻结改善内部效率，尤其受益有源体积最大的LED C。这解释了5 K时LED B与LED C的EQE比率较RT下降，而与LED A比率增加。总体而言，数据凸显QW宽度、极化场和温度在决定DUV LED性能中的关键作用。

结论

我们系统研究了QW宽度对AlGaN深紫外LED从5 K至RT电致发光的影响。3.5 nm QW产生最高最大EQE——RT下比2 nm器件高6.8倍，5 K下高8.2倍；RT下比5 nm器件高4.8倍，5 K下高1.6倍。这些变化源于非辐射复合减少、有源体积增加和最佳电子-空穴重叠的平衡。温度相关测量揭示达到峰值EQE所需电流随温度下降而减小，由增强的电子溢出和抑制的空穴浓度驱动。研究为工程化QW尺寸和工作条件以最大化AlGaN深紫外LED效率提供清晰框架。