다양한 온도에서 AlGaN 심자외선 발광 다이오드의 전기발광 특성에 대한 양자 우물 폭의 영향

초록

AlGaN 심자외선 발광 다이오드(DUV LED)의 전계발광 특성에 대한 양자 우물(QW) 폭의 영향을 다양한 온도에서 연구했습니다. 3.5nm QW와 2nm LED의 최대 외부 양자 효율(EQE) 비율은 실온(RT)에서 6.8에서 5K에서 8.2로 증가했습니다. 그러나 3.5nm QW와 5nm LED의 비율은 QW는 RT에서 4.8에서 5K에서 1.6으로 감소했습니다. EQE 비율의 다른 변화는 비방사성 재결합의 감소와 활성 영역의 부피 증가에 기인합니다. 이론적 분석에서 2nm 우물이 있는 LED는 양자 구속 효과로 인해 전자 오버플로에 대한 장벽이 가장 얕았지만 5nm 우물이 있는 LED는 큰 내부 필드로 인해 전자와 정공의 중첩이 가장 적었습니다. 따라서 3.5nm QW의 LED는 동일한 온도에서 최대 EQE가 가장 높았습니다. 온도가 감소함에 따라 최대 EQE에 대한 전류는 모든 LED에서 감소했는데, 이는 QW에서 넘친 전자의 증가와 정공 농도의 감소로 인한 것으로 여겨진다. 결과는 DUV LED에서 편광 효과와 전자 오버플로의 조합을 이해하는 데 도움이 되었습니다.

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배경

AlGaN 기반 심자외선 발광 다이오드(DUV LED)는 고체 조명, 의학, 생화학 등의 분야에서 널리 사용될 수 있습니다. 따라서 재료의 결정 품질[1,2,3,4], p형 도핑 기술 및 소자 구조의 최적화[5,6,7,8, 9]. Miyake et al. AlN 결정 품질은 고온 어닐링에 의해 크게 향상될 수 있음을 입증했습니다[3]. 성장 온도를 높임으로써 Sun et al. 사파이어에 고품질 AlN 후막을 얻었다[2]. 최근 Jiang et al. AlN 호모에피택시 성장의 결함 진화를 연구했습니다[1]. 그들의 결과는 AlN 호모에피택시 메커니즘을 이해하는 데 기여했으며 결정 품질을 개선하기 위한 중요한 기술을 제공했습니다. 또한 광자결정 및 나노구조 및 표면 플라즈몬과 같은 광추출을 개선하기 위한 많은 방법이 제안되었다[10,11,12]. 지난 수십 년 동안 Li et al.에 의해 전반적으로 검토된 이러한 종류의 LED에 대해 큰 진전이 있었습니다. [13]. 그럼에도 불구하고, 소자의 성능은 낮은 외부 양자 효율로 인해 아직 실용화에 이르지 못하고 있다. III족 질화물은 우르츠광 구조를 가지며, 큰 자발 및 압전장이 기울어진 밴드 다이어그램을 생성한다는 것은 잘 알려져 있습니다. 이러한 기울어진 밴드는 LED, LD[14, 15] 및 UV 검출기[16, 17]와 같은 III족 질화물 기반 장치에 큰 영향을 미쳤습니다. Hirayama et al. AlGaN 기반 단일 QW DV LED에서 광발광(PL) 특성에 대한 양자 우물(QW) 폭의 영향을 보고했습니다[18]. 그들은 QW 폭이 1.5~1.7nm인 LED가 더 높은 휘도를 나타내고 QW 너비가 1.5nm 미만일 때 PL 강도가 감소한다는 것을 발견했는데, 이는 이종 인터페이스에서 비방사성 재결합이 증가했기 때문입니다. 이 작업에서 우리는 양자우물(QW) 너비가 다른 DUV LED를 제작하고 QW 너비와 온도가 EL(전자발광) 특성에 미치는 영향을 연구했습니다. QW 폭이 3.5nm인 LED가 가장 높은 최대 외부 양자 효율(EQE)을 나타냄을 발견했습니다. 온도가 내려감에 따라 최대 EQE에 대한 전류는 모든 LED에서 감소했는데, 이는 정공 농도의 감소와 오버플로된 전자 전류의 증가로 인한 것으로 생각된다.

방법

LED는 1.0μm AlN 버퍼층을 사용한 다음 0.5μm 두께의 도핑되지 않은 Al_0.6을 사용하여 (0001)-사파이어 기판에 금속-유기 화학 기상 증착에 의해 성장되었습니다. Ga_0.4 N 및 1.0μm 두께의 n-Al_0.6 Ga_0.4 N 템플릿. 템플릿의 전위 밀도는 약 6 × 10⁹ 입니다. cm^{− 2} 투과전자현미경으로 측정. 그런 다음 Al_0.49 Ga_0.51 N/Al_0.58 Ga_0.42 N개의 다중 QW(MQW)가 활성 영역으로 성장되었습니다. 장벽의 두께는 5.0nm였습니다. p-알_0.3 Ga_0.7 N(25nm)/Al_0.6 Ga_0.4 N(25nm)은 p형 층으로 사용되었습니다. 마지막으로 200nm p-GaN 접촉층이 증착되었다. 위의 구조를 기반으로 LED A, B, C라는 3개의 샘플을 각각 2.0, 3.5, 5.0nm의 QW 너비로 성장시켰습니다.

500μm × 500μm 정사각형 기하학 p -n 접합 장치는 피처를 정의하기 위한 표준 리소그래피 기술과 n -알_0.6 Ga_0.4 N 옴 접촉 층. Ti/Al/Ni/Au(15/80/12/60 nm)의 n형 오믹 접점을 전자빔 증발에 의해 증착하고 질소 분위기에서 900°C에서 30초 동안 급속 열 어닐링 시스템으로 어닐링했습니다. 투명한 p용 -접점, Ni/Au(6/12nm) 레이어를 전자빔 증착하고 600°C에서 3분 동안 대기 분위기에서 어닐링했습니다. 장치는 Ni/Au(5/60nm) p 증착으로 완성되었습니다. 연락하다. EL 스펙트럼은 Jonin Yvon의 Symphony UV 강화 액체 질소 냉각 전하 결합 장치 검출기를 사용하여 5K에서 실온(RT)까지 측정되었습니다. 열 가열 효과[19]의 영향을 피하기 위해 EL 측정에서 0.5%에서 1μs 전류 펄스를 사용한 펄스 주입이 사용되었습니다.

결과 및 토론

그림 1a는 100mA의 직류에서 LED A, B, C에 대해 실온(RT)에서 측정한 EL 스펙트럼을 보여줍니다. 여기에서 모든 스펙트럼은 대역 간 방출로 정규화되었습니다. LED A, B, C의 EL 피크는 각각 약 261, 265, 268nm였습니다. 분명히, EL 피크는 QW 폭이 증가함에 따라 적색편이를 보였다. 또한 LED A의 EL 스펙트럼에는 304nm 부근의 약한 기생 피크가 존재하며 이는 전자 오버플로와 관련이 있는 것으로 밝혀졌습니다[20]. 그림 1b는 모든 LED에 대한 펄스 전류의 함수로 상대적 EQE를 보여줍니다. 모든 값은 LED B의 최대 EQE로 정규화되었습니다. LED B의 최대 EQE는 LED A와 LED C의 최대 EQE보다 각각 약 6.8배 및 4.8배였습니다.

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아 100mA의 직류 전류에서 LED A, B, C의 RT EL 스펙트럼. 모든 스펙트럼은 대역 간 방출로 정규화되었습니다. ㄴ 펄스 전류의 함수로서의 상대 EQE

그 이유를 이해하기 위해 APSYS를 사용하여 캐리어의 에너지 준위와 파동 함수를 시뮬레이션했습니다. 그림 2a–c는 각각 LED A, B, C에 대해 100mA 전류에서 한 QW의 대역 구조, 접지 상태 레벨, 반송파 기능을 보여줍니다. 편광 효과와 인가된 순방향 바이어스에 의해 유도된 큰 내부 자기장으로 인해 QW의 밴드 구조는 기울어진 형태를 보였고, 양자 구속으로 인한 QW 폭이 증가할수록 전자와 정공의 파동 함수의 공간적 중첩이 작아졌다. 스탁 효과(QCSE). LED A, B, C에 대한 기저 상태의 에너지 갭은 각각 4.733, 4.669, 4.637eV였으며, 이는 그림 1a와 같이 방출 파장과 잘 일치했습니다. 또한, QW 너비가 감소함에 따라 QW에 의한 캐리어의 제한 능력이 감소한다는 점에 유의해야 합니다. 양자 구속 효과는 QW 폭이 감소함에 따라 기저 상태 레벨의 증가를 초래했습니다. 장벽 높이 값은 LED A, B, C에 대해 각각 0.030, 0.057, 0.069eV였습니다. 따라서 LED A의 EQE는 전자 전류 오버플로로 인해 LED B의 EQE보다 작았으며 이는 그림 1a에 표시된 명백한 기생 피크로 확인할 수 있습니다. LED C는 모든 장치에서 전자 오버플로에 대한 가장 높은 장벽을 가지고 있었지만 QCSE로 인해 EQE는 여전히 LED B보다 낮았습니다.

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(a에 대한 100mA의 전류에서 하나의 QW에서 대역 구조, 접지 상태 레벨 및 반송파 기능 ) LED A, (b ) LED B 및 (c ) LED C

소자 성능을 평가하기 위해 저온에서 EQE를 측정하였다. 그림 3a는 5K에서 측정된 상대 EQE를 보여줍니다. 모든 값은 LED B의 최대 EQE로 정규화되었습니다. 분명히 최대 EQE에 대한 주입 전류는 모든 기기의 RT에 비해 상당히 감소했습니다. LED B의 최대 EQE는 LED A와 C의 최대 EQE보다 각각 약 8.2배와 1.6배였다. 전류 종속 EQE는 다른 온도에서 측정되었습니다. 그림 3b는 LED B에 대한 서로 다른 온도에서 전류 종속 상대 EQE를 보여줍니다. 모든 값은 10K에서 최대 EQE로 정규화되었습니다. 최대 EQE에 대한 전류는 온도가 감소함에 따라 감소했음을 알 수 있습니다. 3개의 LED 모두에서 동일한 현상이 발견되었습니다. 벌크 재료에서 정공 농도는 p-AlGaN에서 Mg의 높은 이온화 에너지로 인해 온도가 감소함에 따라 급격히 감소하는 것으로 잘 알려져 있습니다. 우리의 구조에서는 온도가 감소함에 따라 정공 농도도 감소하는 것으로 나타났습니다[21]. 또한 다른 온도에서 구멍 분포를 시뮬레이션했습니다. 그림 4는 100mA 주입 시 LED B에 대한 100K 및 300K 활성 영역의 정공 농도를 보여줍니다. 분명히, 구멍 농도는 온도가 감소함에 따라 감소했습니다. 또한 QW에서 넘친 전자전류는 [22]와 같이 표현될 수 있다.

<그림>

아 5K의 상대 EQE 및 (b ) LED B에 대한 다른 온도에서의 전류 종속 상대 EQE

<그림>

100mA 주입 시 LED B에 대한 100K 및 300K 활성 영역의 정공 농도

\( {J}_{\mathrm{overflow}}=D{\left(\frac{\Delta E}{kT}\right)}^3 qBl \)

여기서 D 상수, ΔE 양자 우물의 페르미 준위와 밴드 에지의 차, K 볼츠만 상수, T 온도는 q입니다. 전자 전하, B 는 이분자 복사 재조합 계수이고, l MQW의 두께입니다. 특정 LED의 경우 ΔE의 변동 기여도 J에게 _오버플로 T에 비해 무시될 수 있음 온도가 낮아짐에 따라. 따라서 J _오버플로 5K에서 RT와 비교하여 크게 증가했으며 이것이 최대 EQE에 도달한 주입 전류 감소의 주요 원인으로 여겨졌습니다. J _오버플로 온도가 증가함에 따라 감소하여 그림 3b와 같이 최대 EQE에 대한 주입 전류가 증가합니다. 낮은 온도에서는 전위와 같은 비방사 중심의 동결로 인해 내부 효율이 증가하므로 활성 영역의 부피가 가장 큰 LED C에 유리합니다. 이것이 LED B와 LED C의 EQE 비율이 RT와 비교하여 5K에서 감소한 가장 가능한 이유였습니다. 유사하게, LED B와 LED A의 EQE 비율은 RT에 비해 5K에서 증가했습니다.

결론

우리는 다양한 온도에서 AlGaN DUV LED의 EL 특성에 대한 QW 폭의 영향을 연구했습니다. EL 스펙트럼은 QW 폭이 증가함에 따라 적색편이를 보였다. QW 너비가 3.5nm인 LED의 최대 EQE는 RT에서 2nm 및 5nm의 것보다 각각 약 6.8배 및 4.8배였습니다. 그러나 이 값은 5K에서 각각 8.2와 1.6으로 변경되었습니다. 최대 EQE 비율의 다른 변화는 비방사성 재결합의 감소와 활성 영역의 체적 증가에 기인합니다. 이론적 분석에서 2nm 우물이 있는 LED는 양자 구속 효과로 인해 전자 오버플로에 대한 장벽이 가장 얕은 반면, 5nm 우물이 있는 LED는 큰 내부 필드로 인해 전자와 정공의 중첩이 가장 적습니다. 따라서 3.5nm QW가 있는 LED가 가장 높은 최대 EQE를 나타냈습니다. 온도가 감소함에 따라 모든 LED에서 최대 EQE에 대한 전류가 감소했는데, 이는 QW에서 넘친 전자의 증가와 정공 농도의 감소로 인한 것으로 여겨진다. QW 폭이 3.5nm인 LED의 최대 EQE는 5K에서 2nm 및 5nm의 약 8.2배 및 1.6배였으며, 이는 비방사성 재결합 중심의 감소 및 부피 증가로 인한 것으로 여겨집니다. 활성 영역의.

약어

DUV LED:: 심자외선 발광 다이오드
EL:: 전자발광
EQE:: 외부 양자 효율
MQW:: 다중 양자 우물
PL:: 광발광
QCSE:: 양자 구속 스타크 효과
질문:: 양자 우물
RT:: 실내 온도

반사 Au 층에서 Au/SiO2 삼각형 어레이의 광학 특성 및 감지 성능 인간 지방 유래 줄기 세포를 연골로 분화시키는 원자력 현미경 기반 나노스코피:나노구조 및 인테그린 β1 발현

나노물질