이 연구는 270nm의 피크 파장에서 방출하는 거의 효율 저하가 없는 AlGaN 기반 심자외선 발광 다이오드(DUV LED)를 보고합니다. DUV LED는 특별히 설계된 초격자 p형 전자 차단층(p-EBL)을 사용합니다. 초격자 p-EBL은 p-EBL에서 높은 정공 농도를 가능하게 하여 다중 양자 우물(MQW)로의 정공 주입 효율을 상응하게 증가시킵니다. MQW 영역 내의 강화된 정공 농도는 복사 재결합을 선호하는 방식으로 전자와 더 효율적으로 재결합하여 전자 누설 전류 수준을 감소시킬 수 있습니다. 그 결과, 제안된 DUV LED 구조에 대한 외부 양자 효율이 100% 증가하고 실험적으로 거의 효율 드룹이 없는 DUV LED 구조가 얻어집니다.
<섹션 데이터-제목="배경">200nm~280nm의 파장 영역에서 자외선은 정수 시스템에서 잠재적인 응용을 발견했습니다[1, 2]. DC 구동 전압이 낮고 정수 시스템과의 호환성이 높아 AlGaN 기반 DUV LED가 우수한 후보로 선택됩니다. 대용량의 물을 처리하려면 고출력 UVC 광원을 제공하는 정화 시스템이 필요하다는 점은 언급할 가치가 있습니다. 그러나 방출 파장이 280nm 미만인 AlGaN 기반 DUV LED의 외부 양자 효율(EQE)은 현재 충족되지 않습니다[3]. 열악한 EQE의 주요 제한 요소는 부분적으로 Al이 풍부한 양자 우물의 큰 나사 전위 밀도(TDD)에서 발생합니다[2, 3]. TDD가 10 9 이면 내부 양자 효율(IQE)이 빠르게 감소합니다. cm −2 [삼]. TDD를 10 8 정도로 줄여도 cm −2 60~80%의 IQE를 가능하게 할 수 있는 효율 저하의 영향은 주입 전류 밀도가 80A/cm를 초과할 때 베어 UVC LED에 대해 EQE를 5% 미만으로 만들 수 있습니다. 2 [4]. 베어 UVC LED 칩의 광 추출 효율(LEE)은 FDTD 계산에 따라 ~ 10%입니다[5]. III-질화물 기반 LED의 효율 저하에 대한 주요 해석 중 하나는 p-형 정공 주입층으로의 전자 유출입니다[6]. Al이 풍부한 AlGaN p형 정공 주입층은 1 × 10 17 보다 훨씬 낮은 자유 정공 농도를 보유합니다. cm −3 [7], 더 심각한 전자 누출 수준을 일으키는 경향이 있습니다. Mehnkeet al. P형 정공 주입층에서 발생하는 기생 방출을 측정했으며 기생 방출은 전자 누설에 잘 기인한다[8]. 다중 양자 우물(MQW)에서 전자 탈출을 줄이기 위해 양자 장벽에 단일 스파이크 층을 삽입하여 전자 포획 속도를 높일 수 있습니다[9]. 스파이크 층은 양자 장벽보다 높은 Al 조성을 가지므로 스파이크 층의 분극 유도 전기장은 전자의 드리프트 속도를 잘 감소시킬 수 있습니다. 따라서 향상된 캡처 효율성은 DUV LED가 [0001] 방향을 따라 성장하는 경우에만 가능합니다. 전자 포획 속도를 향상시키는 또 다른 효과적인 방법은 양자 장벽과 양자 우물 사이의 전도대 오프셋을 높이는 것입니다. 이는 Al 조성을 적절히 증가시켜 실현할 수 있습니다[10]. Al 조성 등급 [11]. 앞서 언급한 바와 같이, Al이 풍부한 p형 AlGaN 정공 주입층의 자유 정공 농도는 낮아 MQW 영역으로의 정공 주입 능력이 좋지 않습니다. 불량한 정공 주입도 전자 누출의 원인으로 간주됩니다[12]. p-형 전자 차단층(p-EBL)을 가로질러 정공 열이온 방출을 증가시키는 유망한 방법은 전기장 저장소를 채택하여 정공에 에너지를 공급하는 것입니다[13]. 정공 수송은 계단식 Al 조성을 갖는 p-AlGaN 기반 정공 주입층이 DUV LED에 사용되는 경우에도 유리할 수 있습니다[14]. 계단식 Al 조성은 정공 농도를 향상시키기 위해 AlGaN 층을 위한 등급화된 Al 조성으로 추가로 대체될 수 있습니다[15,16,17]. 정공 주입 층을 엔지니어링하는 것 외에도, 더 낮은 Al 조성을 가진 얇은 AlGaN 층을 삽입하는 것과 같이 정공 차단 효과를 줄이기 위해 대안적인 p-EBL도 제안되었습니다[18]. p-EBL 후보의 매우 중요한 구조는 초격자 p-EBL입니다. GaN 기반 청색 LED에 대한 GaN/AlGaN 초격자의 영향을 탐구하기 위해 엄청난 연구 노력이 이루어졌습니다[19,20,21]. 그럼에도 불구하고 청색 LED용 AlGaN p-EBL은 AlN 조성이 20% 미만이므로 청색 LED의 정공 차단 효과가 DUV LED만큼 심하지 않습니다. 따라서 GaN/AlGaN 초격자 p-EBL이 청색 LED에 채택되더라도 EQE 개선은 20% 미만이고 효율 저하가 여전히 분명합니다. DUV LED는 Al이 풍부한 p-EBL을 사용하므로 훨씬 더 어려운 정공 주입 문제가 발생합니다[1]. Al이 풍부한 p-EBL로 인한 정공 차단 효과를 해결하기 위해 DUV LED(예:AlInGaN/AlGaN 초격자 p-EBL[22] 및 AlGaN/AlGaN 초격자 p-EBL[23])에 초격자 p-EBL이 제안되었습니다. 그러나 이 단계에서 DUV LED에 대해 거의 효율성이 떨어지고 거의 없는 EQE를 얻는 데 도움이 되는 초격자 p-EBL의 실험적 증거가 부족합니다. 따라서 이 작업은 EQE를 향상시키고 DUV LED의 효율 저하를 크게 억제하는 데 특별히 설계된 AlGaN/AlGaN 초격자 p-EBL의 효과를 실험적으로 보여줍니다. 향상된 EQE는 MQW 영역으로의 향상된 정공 주입에 기인하며 감소된 전자 누출 수준은 효율성 저하를 현저하게 억제하는 데 도움이 됩니다. 자세한 메커니즘은 이후에 이 작업에서 제시될 것입니다.
이 작업에서 두 개의 DUV LED 아키텍처(그림 1에 표시된 LED A 및 B)는 MOCVD(금속 유기 화학 기상 증착) 시스템에 의해 AlN 템플릿에서 성장됩니다. 4μm 두께의 AlN 템플릿은 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 방법을 사용하여 [0001] 배향된 사파이어 기판 위에 성장됩니다. 20주기 AlN/Al0.50 성장 Ga0.50 이후에 성장한 에피층의 변형 완화층 역할을 하는 AlN 템플릿의 N 초격자. 2μm 두께의 n-Al0.60 Ga0.40 전자 농도가 1 x 10 18 인 N 층 cm −3 전자를 제공하기 위해 성장합니다. DUV 광자는 5주기 Al0.45에 의해 생성됩니다. Ga0.55 N/Al0.56 Ga0.44 3nm 두께의 Al0.45이 있는 N MQW Ga0.55 N 양자 우물 및 12nm 두께의 Al0.56 Ga0.44 N 양자 장벽. 그런 다음 MQW는 10nm 두께의 AlGaN 기반 p-EBL로 덮입니다. 우리의 실험에서 우리는 각각 LED A와 B에 대해 두 가지 유형의 p-EBL을 설계하고 성장시킵니다. LED A는 Al0.60 Ga0.40 N 기반 p-EBL 및 LED B는 5주기 1nm Al0.45 Ga0.55 N/1nm Al0.60 Ga0.40 N 기반 p-EBL. 초격자 p-EBL 루프는 Al0.45에서 시작합니다. Ga0.55 마지막 Al0.56 성장 후 N 박막 Ga0.44 N 양자 장벽. 그렇게 함으로써, 마지막 양자장벽/초격자 p-EBL의 계면은 음의 편극 유도 시트 전하를 생성함으로써 분극되며, 이는 마지막 양자 장벽에서 축적된 전자를 고갈시키고 전자 누출을 더욱 억제하는 데 도움이 됩니다. 그런 다음 p-EBL 다음에 50nm p-Al0.40이 옵니다. Ga0.60 N/50nm p-GaN 홀 공급업체. 마지막으로, p-GaN 층은 Mg가 많이 도핑된 10nm 두께의 p + 로 코팅됩니다. -GaN 층. DUV LED 웨이퍼는 N2에서 800°C의 온도에서 제자리에서 열 열처리됩니다. H-Mg 결합을 분할하기 위해 15분 동안 대기 중입니다. 그러면 구멍 농도는 대략 1 × 10 17 으로 추정됩니다. cm −3 및 3 × 10 17 cm −3 Al이 풍부한 p-AlGaN 층과 p-GaN 층에 대해 각각.
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연구된 LED에 대한 개략적인 아키텍처 구조. 두 개의 p-EBL에 대한 스케치된 에너지 밴드 다이어그램도 제공됩니다. LED A의 p-Al0.60 Ga0.40 N 기반 EBL 및 LED B에는 p-Al0.45가 있습니다. Ga0.55 N/Al0.60 Ga0.40 N 초격자 EBL. p-Al0.45 Ga0.55 N/Al0.60 Ga0.40 N 초격자 EBL은 얇은 p-Al0.45을 시작하도록 특별히 설계되었습니다. Ga0.55 p-Al0.45에 대한 인터페이스가 되도록 N 층 Ga0.55 N/Al0.56 Ga0.44 N 마지막 양자 장벽은 음의 분극 계면 전하를 가지고 있습니다. 이 에너지 수준을 의미합니다.
DUV LED 웨이퍼는 표준 미세 제작 공정에 따라 DUV LED 칩으로 제작됩니다. 메사는 유도 결합 플라즈마(ICP) 에칭을 수행하여 얻어지며 메사의 크기는 650 × 320 μm 2 입니다. . Ti/Al 금속 스택은 n-Al0.60에 증착됩니다. Ga0.40 N 레이어는 N2에서 어닐링됩니다. 900°C의 온도에서 1분 동안 Ni/Au 전류 퍼짐은 메사 표면에 코팅된 다음 O2에서 어닐링됩니다. 550°C의 온도에서 5분 동안 마지막으로 Ti/Al 합금과 Ni/Au 전류 퍼짐층에 Ti/Al/Ni/Au 금속을 동시에 증착하여 각각 n 전극 및 반사 p 전극 역할을 합니다. DUV LED 칩은 플립 칩 장치이며 DUV 광자는 통합 구에 의해 사파이어 측에서 수집됩니다.
향상된 EQE와 억제된 효율성 저하에 대한 심층적인 출처를 더 잘 밝히기 위해 APSYS 패키지를 사용하여 수치 계산을 수행합니다[13, 18]. 캐리어 재결합 이벤트 및 캐리어 손실을 계산하는 데 사용되는 중요한 물리적 매개변수에는 SRH(Shockley-Read-Hall) 재결합 수명, Auger 재결합 계수, AlGaN/AlGaN 인터페이스에 대한 에너지 밴드 오프셋 비율 및 [0001]에 대한 편광 레벨이 포함됩니다. ] 지향성 III-질화물 구조, 10ns, 1 × 10 −30 으로 설정됨 cm 6 s −1 , 50:50 및 40% [13, 18]. LEE는 50nm 두께의 흡수 p-GaN 층이 있는 베어 DUV LED 칩의 경우 10%로 설정됩니다[5].
LED A와 B에 대해 서로 다른 전류 밀도 수준에서 실험적으로 측정된 전계발광(EL) 스펙트럼이 그림 2a에 나와 있습니다. EL 스펙트럼은 자체 발열 효과를 피하기 위해 0.1%의 듀티 사이클을 갖는 펄스 조건에서 수집됩니다. 그림 2a는 두 DUV LED 장치의 피크 방출 파장이 ~ 270nm임을 보여줍니다. 피크 방출 파장은 자체 발열 효과를 제거하기 때문에 테스트된 전류 범위 내에서 안정적입니다. LED B의 EL 강도는 LED A의 EL 강도보다 더 강합니다. 그림 2b는 주입 전류 밀도의 함수로서 광출력과 EQE를 보여주며, 이는 EQE가 ~ 90% 향상되었음을 보여줍니다. 또한 효율 저하 수준은 110A/cm 2 전류 밀도 수준에서 LED A 및 B에 대해 ~ 24 및 ~ 4%입니다. , 각각 [droop =(EQE 최대 − EQE 제이 )/EQ 최대 , 여기서 EQE 최대 및 EQE 제이 J의 현재 밀도에서 최대 EQE 및 EQE를 나타냅니다. ]. 그림 2c는 사출 전류 밀도 측면에서 수치적으로 계산된 광 출력 밀도와 EQE를 나타냅니다. 수치적으로 계산된 결과와 실험적으로 측정된 결과는 서로 잘 일치하여 LED B가 향상된 EQE와 실질적으로 감소된 효율 드룹 레벨을 보여줍니다. 그림 2b와 2c의 일치는 실제 모델과 계산을 위해 설정한 매개변수를 잘 검증합니다.
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아 10, 30, 50, 70A/cm 2 전류 밀도에서 측정된 EL 스펙트럼 . ㄴ 측정된 광 출력 및 EQE. ㄷ 각각 LED A 및 B에 대해 계산된 광 전력 및 EQE
두 개의 DUV LED는 p-EBL에서만 서로 다릅니다. 따라서 LED B의 광학 성능을 개선하기 위한 초격자 p-EBL의 역할을 조사할 필요가 있습니다. 그림 3a는 50A/cm의 전류 밀도에서 LED A와 B의 MQW 영역에 걸친 정공 농도 프로파일을 나타냅니다. 섭>2 . LED B의 MQW 내 정공 농도 수준이 LED A의 정공 농도 수준보다 높은 것으로 나타났습니다. 보고된 바와 같이 p-EBL은 전자 누설 수준을 감소시키는 동시에 정공 주입을 방해합니다[24]. 정공 차단 효과를 줄이는 유용한 접근 방식은 p-EBL 영역 내의 정공 농도를 증가시켜 가전자대 장벽 높이를 줄이는 데 도움이 됩니다[25]. 그런 다음 그림 3b는 p-EBL 및 p-Al0.40의 정공 농도 수준을 보여줍니다. Ga0.60 50A/cm 2 전류 밀도의 LED A 및 B용 N 레이어 . LED B에 대한 초격자 p-EBL의 평균 정공 농도는 LED A에 대한 것보다 2배 더 높습니다. 초격자 p-EBL에서 더 큰 정공 농도는 우수한 정공 수송에 기인합니다. 흥미롭게도 그림 3b를 자세히 살펴보면 p-EBL/p-Al0.40에서 정공 농도가 Ga0.60 N 인터페이스는 LED A에 대해 낮아져 LED B에 대한 초격자 p-EBL을 통해 더 부드러운 정공 주입 효율을 반영합니다.
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수치로 계산된 구멍 농도 프로필 a MQW 및 b LED A 및 B 각각에 대한 p형 정공 주입 층에서; ㄷ 10, 30, 50 및 70A/cm 2 의 전류 밀도에서 세미 로그 스케일로 실험적으로 측정된 EL 스펙트럼 LED A 및 B 각각에 대해; d LED A 및 B의 p형 정공 주입층에서 수치적으로 계산된 전자 농도 수준. 수치적으로 계산된 데이터는 50A/cm 2 의 전류 밀도에서 수집됩니다.
앞서 언급했듯이 LED의 효율은 전자 누출 수준과 밀접한 관련이 있습니다. 따라서 기생 발광에 대한 자세한 정보를 나타내기 위해 LED A 및 B에 대해 측정된 EL 스펙트럼을 세미 로그 스케일(그림 3c 참조)로 표시합니다. 기생 발광의 피크 방출 파장은 ~ 425nm에 중심을 두며, 이는 Mg 도펀트와 관련된 깊은 수준에서 발생할 수 있습니다[26]. LED B에 대한 기생 발광의 강도는 LED A에 대한 것보다 강하며 더 많은 캐리어가 깊은 레벨에서 재결합하는 것으로 추측됩니다. 우리의 실험에서 두 DUV LED 아키텍처에 대한 p형 정공 주입 층은 설계되지 않았으며 정공 주입 층의 정공 농도 수준은 유사해야 합니다. 따라서 MQW 영역에서 탈출하는 전자가 LED A보다 LED B의 정공 주입층에서 더 높은 농도를 갖는 것으로 확인되었습니다. 우리의 제안은 p- 50A/cm 2 전류 밀도에서 LED A 및 B용 유형 정공 주입 층 . 이는 또한 LED B의 초격자 p-EBL 덕분에 전자 누설 전류가 크게 감소했음을 의미합니다.
그런 다음 50A/cm 2 의 전류 밀도 수준에서 수집된 그림 4의 LED A와 B에 대한 복사 재결합 속도의 계산된 프로필을 제시합니다. . 제안된 초격자 p-EBL 덕분에 LED B의 복사 재결합 속도가 LED A의 복사 재결합 속도보다 더 강력하다고 추론할 수 있습니다. 이는 MQW 영역으로의 정공 주입을 훨씬 더 선호하고 그 동안 전자 누출 수준을 억제합니다.
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LED A 및 B에 대한 복사 재결합 속도의 수치 계산 프로필. 데이터는 50A/cm 2 의 전류 밀도 수준에서 수집됩니다.
그림 5a 및 5b는 두 DUV LED 장치에 대한 p-EBL 부근의 에너지 대역을 보여줍니다. 에너지 밴드는 50A/cm 2 의 전류 밀도에서 계산됩니다. . Zhang et al. [27], 마지막 양자 장벽/p-EBL 계면에서 강한 분극 유도 양전하는 전자를 상당히 끌어당겨 높은 국부 전자 농도를 발생시킬 수 있습니다. 높은 국부 전자 농도는 효과적인 전도대 장벽 높이(Ø e ) LED A의 경우 ~ 295meV인 p-EBL의 경우. 벌크 AlGaN 기반 p-EBL이 이 작업에서 특정 초격자 p-EBL로 대체되는 경우(즉, 초격자 p-EBL 루프는 얇은 AlGaN 층에서 시작됩니다. 마지막 AlGaN 양자 장벽보다 에너지 밴드 갭이 작음), 마지막 양자 장벽의 전도대는 위쪽으로 제목이 지정되며(그림 5b 참조), 이는 마지막 양자 장벽에서 전자 고갈을 선호하여 를 증가시킵니다. Ø e 최대 ~ 391meV이며 열이온 방출을 통해 더 작은 전자 탈출을 가능하게 합니다[28]. 또한 초격자 p-EBL은 정공에 대한 대역 내 터널링 프로세스를 촉진하므로 p-EBL의 정공 농도도 높아집니다(그림 3b 참조). LED용 p-EBL의 강화된 정공 농도 효과적인 가전자대 장벽 높이(Ø 어 ) [25], 즉 Ø의 값 어 50A/cm 2 의 전류 밀도에서 LED A 및 B에 대해 각각 ~ 324meV 및 ~ 281meV입니다. . 더 작은 Ø 어 LED B의 경우 홀에 대한 열이온 방출을 선호합니다. 초격자 p-EBL이 전자에 대한 대역 내 터널링을 유발할 수도 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 다행스럽게도 MQW의 향상된 정공 농도는 복사 재결합에 의해 전자를 더 잘 소비할 수 있으며 이는 전자 누출을 완화하는 데에도 기여합니다[12]. MQW 영역에서 발생하는 복사 재결합 프로세스에 의해 생성되는 더 선호되는 정공 주입 및 훨씬 더 강한 재결합 전류로 인해 그림 5c에 따라 LED A의 순방향 전압보다 LED B의 순방향 전압이 더 작아집니다.
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a 부근에서 수치적으로 계산된 에너지 밴드 프로파일 LED A, b용 벌크 AlGaN 기반 p-EBL LED B용 초격자 p-EBL 및 c LED A 및 B에 대해 적용된 바이어스 측면에서 측정된 전류 밀도. a에 대한 데이터 그리고 b 50A/cm 2 의 전류 밀도에서 계산됩니다. . 이 C , EV , Ø e , 및 Ø 어 전도대, 가전자대, 전도대 및 가전자대에 대한 유효 장벽 높이를 각각 나타냅니다.
요약하자면, 이 연구는 DUV LED에 대한 특정 초격자 p-EBL을 보고했으며, 이는 개선된 정공 주입 효율과 수동 p형 정공 주입층으로의 전자 누출 감소를 모두 유지할 수 있습니다. 따라서 수치적으로나 실험적으로나 개선된 EQE와 현저하게 억제된 효율 저하를 얻을 수 있습니다. 우리는 제안된 DUV LED 구조가 고효율 DUV LED를 구현하는 데 매우 유망하며 이 작업에서 밝혀진 장치 물리학이 III-질화물 기반 광전자 커뮤니티에 더 많은 이해를 제공한다고 강력히 믿습니다.
반도체 장치의 고급 물리적 모델
심자외선 발광 다이오드
전자발광
외부 양자 효율
수소화물 증기상 에피택시
유도 결합 플라즈마
내부 양자 효율
광추출 효율
금속-유기 화학 기상 증착
다중 양자 우물
p형 전자 차단층
스레딩 전위 밀도
나노물질
초록 여기에서 우리는 낮은 전류 밀도에서 질화물 마이크로 발광 다이오드(micro-LED)의 작동 동작 및 물리적 메커니즘에 대한 포괄적인 수치 연구를 보고합니다. 편광 효과에 대한 분석은 마이크로 LED가 낮은 전류 밀도에서 더 심각한 양자 구속 스타크 효과를 겪는다는 것을 보여주며, 이는 효율성을 개선하고 안정적인 풀 컬러 방출을 실현하는 데 어려움을 일으키고 있습니다. 최적의 작동 조건을 결정하고 낮은 전류 밀도에서 마이크로 LED의 구조 설계를 최적화하기 위해 캐리어 전송 및 매칭을 분석합니다. 활성 영역의 양자 우물 수가
티타늄은 특히 HEM(고효율 밀링)과 같은 공격적인 공구 경로에서 가공하기 어려운 재료로 악명이 높습니다. Helical Solutions의 새로운 툴링 라인인 티타늄용 엔드밀 HVTI-6 시리즈는 이러한 목적에 맞게 특별히 최적화되었으며 경쟁업체의 유사한 공구보다 20% 더 긴 공구 수명을 제공하는 것으로 입증되었습니다 . 페이스 레벨에서 이 새로운 티타늄용 헬리컬 엔드밀은 코너 반경 형상, 6개의 플루트가 특징이며 최적의 공구 수명과 향상된 절삭 성능을 위해 Aplus 코팅이 되어 있습니다. 그러나 이러한 엔드밀에는 표준 6개
