抖动超晶格电子减速层提升AlGaN深紫外LED效率

摘要

AlGaN基深紫外（DUV）发光二极管（LED）面临电子溢出与空穴注入不足问题。本文提出采用超晶格电子减速层（SEDL）的新型DUV LED结构，减速注入有源区电子并改善辐射复合。通过实验与数值模拟研究了多种抖动SEDL对DUV LED性能的影响。DUV LED经金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长，制成762×762 µm²芯片，单峰发射275 nm。正向电流40 mA时，升序Al含量抖动SEDL器件外量子效率（EQE）3.43%、工作电压6.4 V，墙插效率（WPE）2.41%。升序Al含量抖动SEDL器件L50寿命超10,000 h，归因于载流子注入改善。理论模拟探讨了性能提升机制。

引言

近年来，AlGaN基深紫外（DUV）LED因其在植物照明、光疗、水净化、空气与表面杀菌等应用备受关注[1-6]。但最先进AlGaN基DUV LED光输出功率（LOP）随发射波长缩短显著下降[7,8]。此类DUV LED受限于低内量子效率（IQE）、光提取效率（LEE）、载流子注入效率（CIE）[9-13]。一般IQE低源于高缺陷与穿刺位错密度，LEE不足因AlGaN极化与非透明p-GaN接触层吸收[14-18]。电子溢出是CIE差的主因，因空穴密度不足及AlGaN中电子/空穴迁移率严重失衡[19,20]。

传统用高Al含量p型AlGaN电子阻挡层（EBL）抑制电子溢出。但因EBL价带势垒，极少空穴能注入有源区，更少能穿越有源区势垒到达靠近n型层的量子阱，因Mg掺杂激活效率低、空穴迁移率小[21]。为改善电子空穴注入曾尝试空穴势垒层、专门设计最后势垒、EBL、多量子阱结构[22-26]，但DUV LED性能未实质改善。

本工作提出采用超晶格电子减速层（SEDL）的新型DUV LED结构，减速电子注入、抑制电子溢出且不损害空穴注入。实验与数值研究多种SEDL对DUV LED性能影响。MOCVD生长制成762×762 µm²芯片，单峰发射275 nm。40 mA下升序Al含量抖动SEDL器件EQE 3.43%、工作电压6.4 V，WPE 2.41%。升序Al含量抖动SEDL器件L50寿命超10,000 h。理论模拟验证了性能增强机制：抖动SEDL能平衡电子空穴注入有源区，促进靠近n型层前几个量子阱辐射复合。

方法与实验部分

MOCVD外延

AlGaN基DUV LED异质结构用垂直冷壁MOCVD系统生长。全结构外延用三甲基铝（TMA）、三甲基镓（TMG）、氨（NH₃）作Al、Ga、N源，H₂作载气。图1a示意带抖动SEDL的DUV LED结构。先生长2.7 µm厚AlN，采用初始AlN梯度中间层修正生长模式[27]，继3 µm厚Si掺杂Al₀.₆Ga₀.₄N n型接触层，电子浓度4.5×10¹⁸ cm⁻³、迁移率52 cm²/V·s（霍尔测试）。其后40 nm非掺杂SEDL。图1b-e展示常规DUV LED及三种带SEDL结构（样品A、B、C、D）能带结构。图1c样品B为20周期均匀Al₀.₆₅Ga₀.₃₅N/Al₀.₅Ga₀.₅N超晶格SEDL。样品C、D抖动SEDL由四组5周期超晶格组成，高Al含量层分别为0.7、0.65、0.6、0.55，低Al含量层固定0.5。样品C高Al层自底向上逐渐上升，样品D相反（图1d、e）。SEDL各层厚度恒定1 nm。有源区含Al₀.₆Ga₀.₄N:Si包层扩流，后5周期多量子阱，14 nm Al₀.₅₇Ga₀.₄₃N势垒、2 nm Al₀.₄₅Ga₀.₅₅N阱。继Al₀.₇Ga₀.₃N:Mg EBL和GaN:Mg p型接触层。p-GaN空穴浓度3.6×10¹⁷ cm⁻³、迁移率15 cm²/V·s（霍尔测试）。

器件制备

MOCVD生长后，标准工艺制备DUV LED。先干法刻蚀形成方形和指状台面结构，刻至Si掺杂Al₀.₆Ga₀.₄N n型接触层顶部下150 nm，900 °C退火修复刻蚀损伤。继沉积Ti/Al/Ni/Au n侧金属堆叠，850 °C氮气退火。随后蒸发ITO膜，250 °C退火作p侧接触，后续厚电极蒸发、钝化层沉积、焊盘蒸发、隐形切割成762×762 µm²芯片。

模拟

为阐明DUV LED性能增强机制，用Crosslight APSYS[28]自洽求解薛定谔方程、泊松方程、载流子输运方程、电流连续性方程，模拟能带图、光学性质、载流子输运特性。所有层肖克利-里德-霍尔（SRH）复合寿命设1.5 ns，p型插入层1 ns（因SRH寿命依赖掺杂浓度[29]）。内部损耗2000 m⁻¹[30]。弓形参数b=1 eV，AlGaN带偏比假设0.7/0.3[31]。奥歇复合系数设1×10⁻³⁰ cm⁶/s拟合实验[32]。模拟中内建界面电荷按Fiorentini等方法[33]基于自发与压电极化计算。考虑缺陷屏蔽，表面电荷密度取计算值40%[34]。

结果与讨论

四样品具相同AlN和n型AlGaN模板，高分辨X射线衍射（HR-XRD）测晶体质量。表1显示对称(002)面和非对称(102)面X射线摇摆曲线（XRC）。结果显四样品XRC半高全宽（FWHM）和穿刺位错密度（TDD）近似相同，表明晶体质量非器件性能提升主因。且AlGaN层TDD高于AlN层，源于混合晶体性质、界面缺陷、Si掺杂杂质[35]。据Ban等关于IQE与TDD相关性研究，本工作所有样品IQE约30-40%[36]。

为确证新结构生长成功，对典型样品B做横截面明场扫描透射电镜（BF-STEM）表征，见图2。图2a显示2.7 µm厚AlN全生长过程中TDD降低。图2b显示SEDL 20周期周期性好、各周期近1 nm厚。图2c识别出5周期多量子阱及清晰界面，势垒14 nm、阱约2.1 nm。

为考察器件性能，DUV LED芯片共晶键合于AlN陶瓷基板以最小化热效应。基板用焊膏安装于六角铝板。用ATA-1000光电分析系统配30 cm积分球[37]进行电光测试。图3a显示光输出功率（LOP）随注入电流变化。样品D（升序Al含量SEDL）在40、100、360 mA下LOP分别为6.17、14.99、44.975 mW，为无SEDL常规样品A三倍，表明SEDL有利抑制电子溢出和促进空穴注入。四样品高偏压下均现轻微LOP饱和，关联热效应与奥歇复合[38]。图3b描绘EQE随注入电流变化。样品D最大EQE 3.43%（40 mA），样品A峰值仅1.17%。样品D LOP与EQE高于样品B（均匀）和样品C（递减Al含量SEDL），显示样品D辐射复合更高效。图3c为所有样品电流-电压特性。引入SEDL使工作电压从样品A 40 mA下5.13 V增至样品B 7.09 V，因高Al组分SEDL电阻率增大。样品C、D电压低于样品B。按结构设计和单层样品透射测量，样品C、D SEDL势垒平均Al组分62.5%，样品B为65%。更高Al含量导致掺杂效率低、电阻大，升高工作电压。值得注意的是样品D 40 mA下电压6.4 V，实现最大墙插效率（WPE）2.41%。图3d为10 mA电致发光谱。四样品峰发射均~275 nm，峰强度趋势同LOP。也表明升序Al含量抖动SEDL可提升DUV LED器件性能。

为揭明改进机制，用APSYS理论模拟，结果见图4。图4a、b为200 mA下有源区附近电子/空穴电流密度分布。含SEDL样品电子注入电流密度略低于无SEDL样品A，空穴注入电流相反，说明SEDL能减速n型AlGaN电子注入层电子并促进空穴注入。图4c计算所有样品辐射复合率。引入不同SEDL后，靠近n型层量子阱辐射复合率显著增加。从样品A到D，五量子阱辐射复合率逐渐均匀化，样品D（升序Al含量抖动SEDL）近乎完全均匀。这进一步表明SEDL能平衡电子空穴注入有源区，同时促进靠近n型层前几个量子阱辐射复合。结果模拟四样品IQE见图4d。样品D IQE最高，与图4b EQE一致。且含SEDL样品效率下降明显改善。全注入电流范围效率下降分别为样品A 70.33%、B 59.79%、C 48.93%、D 36.26%（定义为(IQE_max−IQE_250mA)/IQE_max）。效率下降通常归因电子泄漏与空穴注入不足[39]。效率下降改善证实SEDL能平衡有源区载流子输运、促进量子阱辐射复合、最终提升器件性能。

器件寿命在20 mA、室温测量。每样品随机选10芯片，不同老化时间相对LOP平均值绘于图5。含SEDL样品寿命明显延长。LED降级部分关联缺陷累积、欧姆导电通道、载流子注入不足[40]。寿命改善进一步验证SEDL能平衡电子空穴输运、促进载流子注入有源区。且样品D（升序Al含量抖动SEDL）平均工作寿命L50超10,000 h，满足实际应用需求。

结论

实验与数值研究了抖动超晶格电子减速层对DUV LED影响。结果表明抖动SEDL能平衡电子空穴注入有源区，促进靠近n型层前几个量子阱辐射复合。辐射复合增加进一步提升DUV LED器件性能。AlGaN基DUV LED制成762×762 µm²芯片，单峰发射275 nm。40 mA下EQE 3.43%、工作电压6.4 V，升序Al含量抖动SEDL器件WPE 2.41%。升序Al含量抖动SEDL器件L50寿命超10,000 h，归因载流子注入促进。引入激光剥离、表面粗化、反射电极、封装等可进一步改进。总体而言，设计的带抖动SEDL DUV LED展现满意电学性质、良好光学性能、理想可靠性，有望用于高效水净化与表面杀菌。

数据与材料可用性

手稿中所有数据与材料均可用。

缩略语

APSYS:

半导体器件先进物理模型

BF-STEM:

明场扫描透射电子显微镜

CIE:

载流子注入效率

DUV:

深紫外

EBL:

电子阻挡层

EQE:

外量子效率

FWHM:

半高全宽

HR-XRD:

高分辨X射线衍射

IQE:

内量子效率

LED:

发光二极管

LEE:

光提取效率

LOP:

光输出功率

MOCVD:

金属有机化学气相沉积

SEDL:

超晶格电子减速层

SRH:

肖克利-里德-霍尔

TDD:

穿刺位错密度

TMA:

三甲基铝

TMG:

三甲基镓

WPE:

墙插效率

XRC:

X射线摇摆曲线