降低隧道结深紫外 LED 的工作电压

降低碳污染并提高硅含量，可以通过隧道结调整深紫外 LED 的工作电压

日本的一项合作声称在降低隧道结深紫外 LED 的工作电压方面开辟了新天地。成功来自于在 n 型 AlGaN 层中抑制碳污染物的掺入，然后掺杂高浓度的硅。

该团队发言人 Kengo Nagata 表示，较低的工作电压有望提高大功率隧道结 LED 的光学效率，这将成为该器件的主要形式。隶属于名古屋大学的 Nagata、Toyoda Gosei 和 TS Opto 告诉《 》杂志，实现欧姆 p 型 AlGaN 接触极其困难。 “我们认为隧道结 LED 是解决这个问题的器件结构之一。”

请注意，为 p 接触切换到 GaN 不是一个可行的选择。 GaN 会吸收量子阱发出的光，并降低深紫外 LED 的光提取效率。

为了发现使用隧道结降低深紫外 LED 工作电压的良好生长条件，来自名古屋大学、丰田合成、TS Opto 和Meijo 大学的团队生产了一系列器件。除了制造一对具有 pn 结在 p-AlGaN 层中具有不同铝浓度的器件外，他们还制造了五个具有隧道结的器件，在 n+ AlGaN 和顶部 n-AlGaN 层中包含不同水平的碳和硅浓度（两种结构的详细信息见图）。

所有这些形式的深紫外 LED 都是在蓝宝石衬底上生产的，具有 3 µm 厚的 AlGaN 模板，其螺、刃位错密度分别为 9 x 10⁷ cm^-2 和 1 x 10⁹ cm^-2。在此，团队添加了一个 n 型 Al_0.38Ga_0.62N 底层，其螺、刃位错密度分别为 1 x 10⁸cm^-2和 9 x 10⁸ cm^-2，然后是一个具有2 nm厚Al_0.45Ga_0.55N量子阱和电子阻挡层的有源区。

在添加 p-GaN/AlGaN 结构或隧道结之后，在添加触点之前，通过使用干法蚀刻来定义台面来形成 1 mm² LED。多层金属为隧道结 LED 提供了 n-AlGaN 触点，也为 p-n LED 提供了 n-AlGaN 触点；而氧化铟锌层为 p-n LED 提供了 p-GaN 触点。

p-n 结 LED 的电流-电压图产生了此类器件的典型结果，在 63 mA cm^-2 时正向电压为 6.6 V。

比较具有隧道结的各种深紫外线发射器的电流 - 电压特性表明，通过将生长压力从 100 毫巴降低到 50 毫巴，碳污染物水平的降低使工作电压降低了 6 V 以上. 将此与 n+ AlGaN 层中的高硅掺杂浓度相结合，导致工作电压在 63 mA cm^-2 时进一步显著降低至 10.3 V。事实证明，降低碳污染物水平至关重要，因为它可以防止 AlGaN 层成为半绝缘层——这是形成隧道结的一个明显的阻碍。

光学测量表明，传统紫外 LED 在 285 nm 下产生 35.7 mW 的输出，驱动电流密度为 63 mA cm^-2，在 7.2 V 正向电压下实现。提供比较的隧道结器件在 10.8 V 下实现了相同的驱动电流，并提供了 27.6 mW 的输出，峰值发射波长为 280 nm。该团队将这种较差的性能归因于在高温下退火的 n 型电极的高吸光度。

Nagata 表示，该团队的目标之一是扩展隧道结的优化，努力改善其他层的生长条件。 “此外，我们将接受使用反射电极改善器件特性的挑战。”

页面顶部的图片：用于传统深紫外 LED 和具有隧道结的 LED 的外延结构。

参考文献

K. Nagata et al. Appl. Phys. Express 14 084001 (2021)

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