처프형 초격자 전자 감속층이 있는 AlGaN 기반 심자외선 발광 다이오드의 향상된 성능

결과 및 토론

4개의 샘플이 동일한 AlN 및 n형 AlGaN 템플릿을 가지고 있으므로 샘플 A, B, C 및 D의 결정질 품질은 고해상도 X선 회절(HR-XRD)로 측정되었습니다. 표 1과 같이 두 레이어에 대해 대칭(002) 평면과 비대칭(102) 평면을 따라 X선 흔들림 곡선(XRC)이 수행되었습니다. 결과는 4개 샘플의 XRC 반치폭(FWHM)과 나사 전위 밀도(TDD)가 거의 동일함을 보여주며, 이는 결정질 품질이 장치 성능 개선의 주요 원인이 아님을 나타냅니다. 또한, AlGaN 층의 TDD(threading dislocation densities)가 AlN 층보다 높다는 것을 알 수 있는데, 이는 혼합 결정 특성, 계면 결함 및 Si 도핑 불순물로 인해 발생합니다[35]. Ban et al.의 연구에 따르면 IQE와 TDD 사이의 상관 관계에 대해 이 작업의 모든 샘플에 대한 IQE는 약 30~40%입니다[36].

새로운 구조의 성공적인 성장을 확인하기 위해 그림 2와 같이 대표적인 샘플 B에 대해 단면 명시야 주사 투과 전자 현미경(BF-STEM) 측정을 수행했습니다. 그림 2a에서 2.7μm 두께의 AlN의 전체 성장 과정에서 감소합니다. 그림 2b는 SEDL의 각 주기에서 양호한 주기성과 거의 1nm 두께의 레이어를 나타냅니다. 또한, 그림 2c에서 서로 다른 경계면을 가진 다중 양자 우물의 다섯 주기가 인식되며, 그 중 장벽은 14 nm이고 우물은 약 2.1 nm입니다.

전형적인 샘플 B의 형태 특성화. a AlN 템플릿의 단면 STEM 이미지. ㄴ SEDL 20주기 영역의 단면 STEM 이미지. ㄷ 활성 영역의 단면 STEM 이미지

소자 성능을 조사하기 위해 발열 효과를 최소화하기 위해 DUV LED 칩을 AlN 세라믹 기판에 공융 접합시켰다. 그 후, 육각형 알루미늄 판에 솔더 페이스트로 기판을 실장하였다. 그런 다음 직경 30cm의 적분구가 장착된 ATA-1000 광전 분석 시스템을 사용하여 전기적 및 광학적 측정을 수행하였다[37]. 그림 3a는 주입 전류에 대한 광출력(LOP)의 변화를 보여줍니다. Al 함량이 증가하는 SEDL이 있는 샘플 D의 LOP는 40mA에서 6.17mW, 100mA에서 14.99mW, 360mA에서 44.975mW로 SEDL이 없는 기존 샘플 A의 LOP보다 3배 더 높습니다. 이는 SEDL이 전자 오버플로 억제 및 정공 주입에 유용함을 나타냅니다. 한편, 가열 효과 및 Auger 재결합과 관련된 높은 바이어스에서 작동할 때 4개의 샘플에 대한 약간의 LOP 포화가 관찰될 수 있습니다[38]. 주입 전류에 대한 EQE는 그림 3b에 나와 있습니다. 최대 EQE는 샘플 D의 경우 40 mA에서 3.43%인 반면 EQE는 샘플 A의 경우 1.17%에서 피크입니다. 한편, Al 함량 SEDL이 상승한 샘플 D의 LOP 및 EQE는 균일하고 감소하는 Al 함량 SEDL은 샘플 D에서 더 효율적인 복사 재결합을 보여줍니다. 모든 샘플에 대해 측정된 전류-전압 특성은 그림 3c에 나와 있습니다. SEDL의 통합은 높은 Al 조성 SEDL의 저항 증가로 인해 작동 전압을 샘플 A의 40 mA에서 5.13 V에서 샘플 B의 40 mA에서 7.09 V로 증가시킨다는 것을 알 수 있습니다. 또한, 동작 전압이 샘플 B보다 샘플 C와 D에서 더 낮은 것을 알 수 있다. 단층 샘플에 대한 구조 설계 및 투과 측정에 따르면, 샘플 C 및 샘플 D의 장벽의 평균 Al 조성 D SEDL은 62.5%이고 샘플 B의 SEDL은 65%입니다. Al 함량이 높을수록 도핑 효율이 낮아지고 저항이 높아져 작동 전압이 증가합니다. 샘플 D의 전압은 40 mA에서 6.4 V이며, 결과적으로 최대 벽 플러그 효율(WPE)은 2.41%입니다. 10 mA에서의 전계발광 스펙트럼은 그림 3d에 나와 있습니다. 4개 샘플의 피크 방출은 모두 약 275 nm이며 피크 강도의 경향은 LOP와 동일합니다. 이것은 또한 상승하는 Al 함량 처프 SEDL이 DUV LED 장치 성능 향상에 사용할 수 있음을 나타냅니다.

실온에서 SEDL이 다른 샘플의 전기적 및 광학적 특성. 아 CW 바이어스에서 주입 전류에 대한 LOP의 의존성. ㄴ CW 바이어스에서 주입 전류에 대한 EQE의 의존성. ㄷ 작동 전압에 대한 주입 전류의 의존성. d 10mA 주입 전류에서 모든 샘플의 EL 스펙트럼, 피크 방출은 약 275 nm

이러한 개선의 원인이 되는 메커니즘을 밝히기 위해 APSYS 프로그램으로 이론적 시뮬레이션을 수행했으며 그 결과를 그림 4에 표시했습니다. 200 mA에서 활성 영역 근처의 전자 전류 밀도와 정공 전류 밀도 분포를 그림 4에 계산했습니다. 4 a와 b. SEDL이 있는 샘플의 전자 주입 전류 밀도는 SEDL이 없는 샘플 A의 전자 주입 전류 밀도보다 약간 낮지만 상황은 정공 주입 전류의 경우 반대이며 SEDL이 n형에서 전자를 감속할 수 있음을 보여줍니다. AlGaN 전자주입층에 따라 정공주입을 촉진한다. 모든 샘플에 대한 복사 재결합 속도는 그림 4c에서 계산되었습니다. 다른 SEDL을 통합하면 n형 층 근처의 양자 우물에서 복사 재결합 속도가 분명히 증가합니다. 한편, 샘플 A에서 샘플 D로, 5개의 양자 우물에서 복사 재결합 속도는 점차 균일해지고 있으며, 이는 Al 함량이 증가하는 처프 SEDL을 갖는 샘플 D에서 거의 동일합니다. 이것은 SEDL이 활성 영역으로의 전자 및 정공 캐리어 주입을 평형화할 수 있고 그 동안 n형 층 근처의 처음 몇 개의 양자 우물에서 복사 재결합을 촉진할 수 있음을 나타냅니다. 결과적으로 4개의 샘플에 대한 IQE를 시뮬레이션하고 그림 4d에 표시했습니다. 샘플 D의 IQE가 가장 높으며 이는 그림 4b의 EQE와 일치합니다. 또한 SEDL을 사용한 샘플의 효율성 저하가 분명히 개선되었습니다. 전체 주입 전류 범위에서 효율 드룹은 샘플 A, B, C 및 D에 대해 각각 70.33%, 59.79%, 48.93% 및 36.26%이며 이는 효율 드룹 =(IQE_{max)로 정의됩니다.} − IQE_250mA )/IQE_최대 . 효율 저하는 일반적으로 전자 누출과 불충분한 정공 주입으로 인해 발생하는 것으로 생각됩니다[39]. 효율성 드룹의 개선은 SEDL이 활성 영역으로의 캐리어 수송의 균형을 맞추고 양자 우물에서 복사 재결합을 촉진하여 궁극적으로 장치 성능을 향상시킬 수 있음을 분명히 합니다.

이론적 시뮬레이션 및 분석. 아 200 mA의 주입 전류에서 활성 영역의 전자 전류 밀도. ㄴ 200 mA의 주입 전류에서 활성 영역의 정공 전류 밀도. ㄷ 200 mA의 주입 전류에서 다중 양자 우물의 복사 재결합 속도. d 주입 전류에 대한 계산된 IQE의 의존성

장치의 수명은 20 mA 및 실온에서 측정되었습니다. 각 샘플에 대해 결과의 정확성을 보장하기 위해 10개의 칩을 무작위로 선택하고 서로 다른 스트레스 시간에서의 상대적 LOP의 평균을 그림 5에 표시했습니다. SEDL을 사용하면 분명히 확장됩니다. LED 장치의 열화는 부분적으로 결함 축적, 저항 전도성 채널 및 부족한 캐리어 주입과 관련이 있습니다[40]. 수명의 향상은 SEDL이 전자와 정공 수송의 균형을 유지하고 활성 영역으로의 캐리어 주입을 촉진할 수 있음을 추가로 확인합니다. 또한, Al 함량이 증가하는 chirped SEDL이 있는 샘플 D의 평균 작동 수명은 L50에서 10,000 h 이상으로 실제 적용에 적합합니다.

20 mA 및 실온에서 모든 샘플에 대한 노화 시간의 함수로서의 상대 LOP. 상대 LOP가 50% 미만이면 노화가 중지됩니다. 검정, 빨강, 녹색 및 파랑 곡선은 샘플 a를 나타냅니다. , b , ㄷ , 및 d , 각각. 오름차순 Al 함량 처프 SEDL이 있는 샘플 D의 수명은 L50에서 10,000 h 이상입니다.