优化UV LED的隧道结

具有成分分级和高掺杂水平的隧道结降低了UV LED的电压降

UV LED的挑战之一是开发一种设计，允许将载流子注入器件，同时避免光学吸收和工作电压升高。

俄亥俄州立大学和桑迪亚国家实验室的一个团队在这方面取得了突破。它们通过具有成分分级和高水平硅掺杂的AlGaN隧道结来满足所有这些目标。

俄亥俄州立大学的团队发言人Agnes Maneesha Dominic Merwin Xavier表示，这些器件的外部量子效率仅略高于1%，但优化活性区的生长条件和引入提取技术可能会带来更高的值。

将载流子注入到UV LED中的困难是众所周知的。与p-AlGaN进行欧姆接触具有挑战性，并且用p-GaN或基于AlGaN的超晶格代替欧姆接触可分别导致吸收和电损耗。此外，AlGaN中的受主激活能较高，导致p型层中的空穴浓度较低。

解决这些问题的一种方法是引入隧道结。其他团队通过将AlGaN与InGaN和GaN夹层相结合来生产这种结构，但这会导致光吸收。透明同质结可以对抗这种情况，但具有更高的电压损耗，从而影响效率。

Dominic Merwin Xavier及其同事通过铝含量至少为Al_0.3Ga_0.7N的渐变隧道结避免了所有这些陷阱。这种类型的UV LED在20 A cm^-2的驱动电流下，隧道结上的电压降仅为1.86 eV。

这些器件的开发始于对以p-n结和隧道结为特征的异质结构中分级效应的研究（这些结构的细节见图，通过MBE在MOCVD生长的n型Al_0.3Ga_0.7N模板上生长）。在蚀刻形成方形台面后，该团队制造了具有顶部和底部触点的器件。

对这些结构的电学测量表明，分级将器件在20 mA cm^-2下的总电压降从5.77eV降低到5.26eV。

利用Silvaco Atlas TCD进行建模，可以深入了解分级的好处，包括极化电荷引起的隧道结区大量自由载流子。与非分级结相比，铝从30%分级到50%的AlGaN的空穴浓度提高了8倍，隧道速率提高了4倍。

对具有渐变隧道结的100µm×100µm LED的晶圆上测量显示电压降为5.55V。对于80 A cm^-2的驱动电流，外部量子效率峰值为1.02%，并且驱动电流从100 A cm^-2增加到350 A cm^-2导致发射峰值从339 nm移动到343 nm。

虽然MBE已被用于生产这些器件，但它们也可以通过MOCVD生长，这是一种更适合大规模生产的技术。

Dominic Merwin Xavier表示，通过优化隧道结层的掺杂和分级，该团队用于制造发射300 nm以上器件的方法可以扩展到发射280 nm以下的UVC LED。“然而，随着AlGaN层成分的增加，可能会有更高的电压损失。”

她说，该团队的下一个目标是扩展他们的设计，并优化低压UVC隧道结LED的隧道结。

上图：比较二极管的电气特性揭示了分级隧道结的好处。

参考文献

A. M. Dominic Merwin Xavier et al. Appl. Phys. Lett. 122 081108 (2023)

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