국소 변조된 NPN-AlGaN 전류 확산 층으로 심자외선 LED 성능 향상

요약

AlGaN 기반 심자외선 발광 다이오드(DUV LED)의 전류 확산 개선을 위해 전자 공급층에 국소 도핑된 n-AlGaN/p-AlGaN/n-AlGaN(NPN-AlGaN) 구조 삽입 전략을 제시한다. 얇은 p-AlGaN 삽입은 전도대 장벽을 형성해 p형 정공 공급층의 측면 전류를 재분배, 전류 밀집 완화. Mg 도핑 농도, p층 두께, AlN 조성, NPN 접합 개수 등 핵심 파라미터가 확산 효과에 결정적 영향. 최적화된 NPN-AlGaN 층은 DUV LED의 광출력, 외부 양자 효율(EQE), 벽면 플러그 효율(WPE) 향상.

서론

AlGaN 기반 DUV LED는 살균, 정수, 의료, 고밀도 광기록에 필수적. 최근 그래핀 보조 준-반데르발스 에피택시 등으로 AlN 결정 품질 향상, 전위 밀도 저감, 내부 양자 효율(IQE) 80% 달성. 그러나 DUV LED는 전기 구동 소자로 캐리어 주입과 수송이 성능 지배. 주요 과제는 전류 밀집, 특히 고 바이어스에서 고 Al 함량 p-AlGaN의 낮은 Mg 도핑 효율과 플립칩 구조의 측면 주입 지오메트리 탓. 좁은 스트립 p-컨택이나 ITO/ZGO 층 기반 전류 확산 시도는 계면 저항이나 불충분한 측면 전도도로 제한적 성공.

본 연구는 p측에서 n형 전자 공급층으로 초점 이동. n-AlGaN 도핑 프로파일 엔지니어링으로 NPN-AlGaN 접합 형성, 제어된 에너지 장벽 생성해 측면 전류 재분배, 정공 주입과 전체 소자 효율 향상. 이 접근은 에피택시 최적화 유연성 제공하며 전류 밀집 직접 해결.

연구 방법 및 물리 모델

기준 DUV LED 구조: 4 µm 두께 n-Al₀.₆₀Ga₀.₄₀N(Si 5×10¹⁸ cm⁻³), Al₀.₄₅Ga₀.₅₅N/Al₀.₅₆Ga₀.₄₄N MQWs 5쌍(3 nm/12 nm). 18 nm Mg 도핑 p-Al₀.₆₀Ga₀.₄₀N 전자 차단층(EBL), 50 nm Mg 도핑 p-Al₀.₄₀Ga₀.₆₀N 및 p-GaN(정공 농도 3×10¹⁷ cm⁻³). 소자 메사 350×350 µm².

그림 1b는 두 NPN-AlGaN 접합(NPNPN-AlGaN) 포함 구조의 전도대 프로파일. p-AlGaN 삽입 고갈로 수직 장벽(φ₁, φ₂) 생성, 측면 전류 분포 조절. 접합은 완전 고갈되어 리치스루 브레이크다운 모드 동작. 모든 소자는 NPN 접합 없는 기준 LED와 비교.

등가 회로 모델(그림 2a)로 수직(I₁) 및 수평(I₂) 전류 성분 분리. NPN 접합 존재 시 접합당 계면 저항 R_npn 추가, I₁/I₂ 비율 감소(식 3). 접합 개수(N) 증가나 AlN 조성, 두께, Mg 도핑 조절로 R_npn 증가 시 측면 확산 촉진.

소자 물리 시뮬레이션은 Crosslight APSYS 사용, 검증된 모델: 오제 재결합(1×10⁻³⁰ cm⁶s⁻¹), SRH 수명(10 ns), 광추출 효율(≈8%), AlGaN 이종접합 50:50 밴드 오프셋. 분극 전하 40% 격자 부적합으로 설정.

결과 및 토의

NPN-AlGaN의 전류 확산 영향

기준 LED A(무 NPN) vs LED B(단일 NPN 접합, 20 nm p-Al₀.₆₀Ga₀.₄₀N, Mg=1×10¹⁸ cm⁻³). LED B에 두 전도 장벽 생성(그림 3a). 장벽으로 R_npn 증가, I₁/I₂ 감소, 최종 양자 우물(LQW)에서 더 균일한 측면 정공 분포(그림 3b). 결과적으로 MQWs 내 정공 농도와 복사 재결합률 상승(그림 4a-b), EQE와 광출력 밀도 향상(그림 5a). 순방향 전압 소폭 상승(그림 5b)하지만 ~56 A cm⁻² 이상에서 WPE 기준 초과(그림 5c), NPN-AlGaN 엔지니어링 이점 확인.

p-AlGaN 층 AlN 조성 효과

5개 소자(Cᵢ, i=1-5) AlN 비율 0.60, 0.63, 0.66, 0.69, 0.72로 20 nm p층 제조(Mg=1.8×10¹⁸ cm⁻³). AlN 증가 시 전도대 장벽 상승(표 1), R_npn 증가, I₁/I₂ 감소(식 3). 측면 정공 프로파일(그림 6a)과 MQW 농도(그림 6b-c) 점차 균일해지고 캐리어 밀도 증가. EQE와 광출력 밀도 동반 향상(그림 7a), 순방향 전압 완만 상승(그림 7b). WPE 이점은 중간 AlN 비율(C₂)에서 최대, 장벽 높이와 추가 전압 강하 균형(그림 8).

Mg 도핑 영향

소자 Dᵢ(i=1-5) 20 nm p층 Mg 도핑 3×10¹⁷–3×10¹⁸ cm⁻³ 변화(AlN=0.61). Mg 증가 시 고갈 영역 확대, 장벽 상승, R_npn 증가(표 2). 측면 정공 분포 점점 균일(그림 9a), MQW 정공 농도와 복사 재결합 향상(그림 9b-c). EQE와 광출력 밀도 도핑에 따라 상승(그림 10a), 순방향 전압도 증가, 최고 도핑서 현저(그림 10b). WPE는 Mg=2×10¹⁸ cm⁻³까지 개선, 최고 도핑서 과도한 전압 강하로 감소(그림 11).

p-AlGaN 삽입층 두께 영향

시리즈 Tᵢ(i=1-5) 18, 20, 24, 28, 32 nm p층(AlN=0.61, Mg=1.5×10¹⁸ cm⁻³). 장벽 높이 두께에 비례 증가(표 3), I₁/I₂ 추가 감소, 측면 확산 개선(그림 12a). MQW 정공 농도와 재결합률 상응 상승(그림 12b-c). 광출력과 EQE 개선(그림 13a), 20, 24, 28 nm 소자에서 순방향 전압 유의 감소(그림 13b). 그러나 32 nm 최두층은 기생 N-AlGaN/p-AlGaN 다이오드로 턴온 전압 상승. WPE 최적 두께 존재, 신중한 튜닝 필요 입증(그림 14).

NPN-AlGaN 접합 개수 영향

LED Nᵢ(i=1-5) 1~5개 NPN 접합, 각 20 nm p층(AlN=0.61, Mg=1.5×10¹⁸ cm⁻³). 개별 장벽 높이 유사(표 4)지만 누적 장벽 접합 수에 비례 증가, 측면 확산 증폭(그림 15a). MQW 정공 농도와 재결합률 점진적 개선(그림 15b-c). EQE와 광출력 밀도 접합 수 증가하나 3개 이후 이득 감소(그림 16a). 순방향 전압 기준 대비 감소(그림 16b), WPE 이점 5개까지 있으나 증분 이점 둔화(그림 17).

결론

n형 전자 공급층 내 NPN-AlGaN 접합 삽입이 AlGaN 기반 DUV LED의 p형 정공 공급 영역 전류 밀집 효과적으로 완화. AlN 조성, Mg 도핑, 삽입층 두께, 접합 개수 조절로 측면 전류 균일화, 정공 주입 향상, EQE와 WPE 개선. EQE는 지속적 이득이나 WPE는 추가 전압 강하가 확산 이점 상쇄 시 정체, 균형 잡힌 설계 중요성 부각. 본 연구는 고출력 DUV LED 성능 향상을 위한 다용도, 에피택시 친화적 전류 확산 전략 제시.