局域调制NPN-AlGaN电流扩展层提升深紫外LED性能

摘要

提出新策略：在AlGaN基深紫外发光二极管（DUV LED）电子供给层插入局域掺杂n-AlGaN/p-AlGaN/n-AlGaN（NPN-AlGaN）结构，改善电流扩展。薄p-AlGaN插入层形成导带势垒，重新分布p型空穴供给层横向电流，缓解电流拥挤。关键参数——Mg掺杂浓度、p层厚度、AlN组分、NPN结数量——关键影响扩展效应。优化NPN-AlGaN层可提升DUV LED光输出、外量子效率（EQE）和壁插效率（WPE）。

引言

AlGaN基DUV LED在消毒、水净化、医疗、高密度光存储等至关重要。晶体质量近期进展——如石墨烯辅助准范德瓦尔斯外延AlN于纳米图案蓝宝石——降低位错密度，内量子效率（IQE）达80%。但DUV LED电驱动，载流子注输运主导性能。显著挑战为电流拥挤，尤其高偏压下，因高Al含量p-AlGaN中Mg掺杂效率差及倒装芯片横向注入几何结构。基于窄条p电极或ITO/ZGO层的电流扩展方案成效有限，常受界面电阻率或横向电导不足阻碍。

本工作将焦点从p侧转移至n型电子供给层。通过工程化n-AlGaN掺杂剖面形成NPN-AlGaN结，产生可控能垒重新分布横向电流，增强空穴注入并提升整体器件效率。此法为外延优化提供更大灵活性，直接解决电流拥挤。

研究方法与物理模型

基准DUV LED结构：4 µm厚n-Al₀.₆₀Ga₀.₄₀N（Si掺杂5×10¹⁸ cm⁻³），五周期Al₀.₄₅Ga₀.₅₅N/Al₀.₅₆Ga₀.₄₄N MQWs（3 nm/12 nm）。18 nm Mg掺杂p-Al₀.₆₀Ga₀.₄₀N电子阻挡层（EBL）覆盖MQWs，继50 nm Mg掺杂p-Al₀.₄₀Ga₀.₆₀N和p-GaN层，空穴浓度均3×10¹⁷ cm⁻³。器件梅萨350×350 µm²。

Figure 1b展示含两个NPN-AlGaN结（NPNPN-AlGaN）结构导带剖面。p-AlGaN插入层耗尽形成垂直势垒（φ₁、φ₂），调节横向电流分布。结必须全耗尽以达通达击穿模式工作。所有器件对比无NPN结参考LED。

等效电路模型（Fig. 2a）分离垂直(I₁)和水平(I₂)电流分量。NPN结引入每结界面电阻R_npn，降低I₁/I₂比（Eq. 3）。增加结数(N)或提高R_npn——通过调整AlN组分、厚度或Mg掺杂——进一步促进横向扩展。

器件物理用Crosslight APSYS模拟，经验证模型：Auger复合(1×10⁻³⁰ cm⁶s⁻¹)、SRH寿命(10 ns)、出光效率(≈8%)、AlGaN异质结50:50带偏移。极化电荷设为晶格失配40%。

结果与讨论

NPN-AlGaN对电流扩展影响

对比参考LED A（无NPN）与LED B（单NPN结，20 nm p-Al₀.₆₀Ga₀.₄₀N，Mg=1×10¹⁸ cm⁻³），LED B显示两导带势垒（Fig. 3a）。势垒增加R_npn，降低I₁/I₂，使末级量子阱（LQW）横向空穴分布更均匀（Fig. 3b）。空穴浓度和MQWs辐射复合率上升（Fig. 4a-b），转化为更高EQE和光功率密度（Fig. 5a）。正向电压略增（Fig. 5b），但WPE在~56 A cm⁻²以上超越参考（Fig. 5c），确证NPN-AlGaN工程获益。

p-AlGaN层AlN组分影响

制备五器件(Cᵢ, i=1-5)，20 nm p层AlN分数0.60、0.63、0.66、0.69、0.72（Mg=1.8×10¹⁸ cm⁻³）。AlN增加增大导带势垒（Table 1），提高R_npn降低I₁/I₂（Eq. 3）。横向空穴分布（Fig. 6a）和MQW浓度（Fig. 6b-c）随AlN含量增加渐趋均匀、载流子密度升高。EQE和光功率密度随之提升（Fig. 7a），正向电压适度上升（Fig. 7b）。WPE在中等AlN分数(C₂)获益最大，平衡势垒高度与附加电压降（Fig. 8）。

Mg掺杂影响

器件Dᵢ (i=1-5)变化20 nm p层Mg掺杂(3×10¹⁷–3×10¹⁸ cm⁻³)，AlN=0.61。Mg增加拓宽耗尽区，提高势垒和R_npn（Table 2）。横向空穴分布愈发均匀（Fig. 9a），增强MQW空穴浓度和辐射复合（Fig. 9b-c）。EQE和光功率密度随掺杂上升（Fig. 10a），正向电压亦增，最高掺杂尤甚（Fig. 10b）。WPE在Mg=2×10¹⁸ cm⁻³前改善，最高掺杂因过大电压降下降（Fig. 11）。

p-AlGaN插入层厚度影响

系列Tᵢ (i=1-5)采用18、20、24、28、32 nm p层（AlN=0.61，Mg=1.5×10¹⁸ cm⁻³）。势垒高度随厚度增加（Table 3），进一步降低I₁/I₂改善横向扩展（Fig. 12a）。MQW空穴浓度和复合率相应上升（Fig. 12b-c）。光功率和EQE改善（Fig. 13a），20、24、28 nm器件正向电压显著下降（Fig. 13b）。但最厚32 nm层因寄生N-AlGaN/P-AlGaN二极管导致更高开启电压。WPE在最优厚度峰值，显示需精心调控（Fig. 14）。

NPN-AlGaN结数量影响

LEDs Nᵢ (i=1-5)含1至5个NPN结，各20 nm p层（AlN=0.61，Mg=1.5×10¹⁸ cm⁻³）。单个势垒高度相似（Table 4），但累积势垒随结数增加放大横向扩展（Fig. 15a）。MQW空穴浓度和复合率渐进提升（Fig. 15b-c）。EQE和光功率密度随结数上升，三结后增益递减（Fig. 16a）。正向电压相对参考下降（Fig. 16b），WPE获益至五结但边际优势递减（Fig. 17）。

结论

在n型电子供给层嵌入NPN-AlGaN结有效缓解AlGaN基DUV LED p型空穴供给区电流拥挤。通过调控AlN组分、Mg掺杂、插入层厚度和结数，可均匀横向电流、增强空穴注入、提升EQE和WPE。EQE持续受益，但WPE增益在势垒额外电压降抵消扩展优势时趋平，凸显平衡设计重要性。本研究提出通用、外延友好的电流扩展策略，推进高功率DUV LED性能。