研发报告详细内容

添加铟可提高 UV LED 的功率

      材料来源:CSC 化合物半导体

增设一个基于铟的底层可以捕捉表面缺陷,从而实现内部量子效率的提高。

 

近紫外光 LED 深受外部量子效率低的困扰,这个缺点阻碍了基于红、绿和蓝色荧光体的白光 LED 的发展。

但是,由于瑞士洛桑联邦理工学院 (EPFL) 和瑞士联邦材料科学与技术实验室的研究人员辛勤的工作付出,这一切都有可能改变。这项合作研究发现,在近 UV LED 的下方插入一个 InAlN 底层可实现内部量子效率的提升—— 从低于 10% 上升到远高于 60%

来自 EPFL Camille Haller 代表该研究小组告诉《Compound Semiconductor》杂志,铟是中间层的关键成分。研究人员认为,这个中间层可以捕捉表面缺陷,从而防止它们被吸入活性区,因为它们在活性区将导致非辐射复合中心的产生。

到目前为止,这种推测尚无理论依据。Haller 说:“对于底层的作用,存在很大的争议,但是我们已经排除了应变、电场,以及位错(源于 V 型凹陷形成)屏蔽的影响。”

不过,非常清楚的是:包含铟的中间层有益于基于氮化物的 LEDHaller 认为:“引人注目的特点是所有的商用蓝光 LED 都具有一个 InGaN 底层(块状或超晶格),不管采用的是什么衬底。”

她和同事们一起,通过制作采用和未采用这种三元结构的器件并比较其性能,证明了在近 UV LED 中插入 InAlN 底层的好处。样品的制作方法是:将蓝宝石衬底装入一个 Aixtron 200/4 RF-S MOCVD 反应器,并生长各种不同的外延结构(均从一个 2 μm 厚的 GaN 缓冲层开始)。

除以之外,在对照样品中还增添了一个 5 nm 厚的掺硅 GaN 层。在这两种变体中,一种具有一个 45 nm 厚的掺硅 In0.17Al0.83N 层,后随一个 5 nm 厚的掺硅 GaN 层;另一种则具有一个超晶格,包含 24 2.1 nm 厚掺硅 In0.17Al0.83N 1.75 nm 厚掺硅 GaN 的交错对,其后是一个 5 nm 厚的重掺硅 GaN 层。在所有三个样品的顶部上均添加了一种具有活性区的 LED 外延结构,此活性区设有单个 2.7 nm 厚的 In0.09Ga0.81N 量子阱和一个 20 nm 厚的掺镁 Al0.2Ga0.8N 电子阻挡层。

所有三种类型的外延片均被加工成 300 μm x 300 μm LED,由钛和金的堆叠(对于 n 型触点)以及钯和金的组合(对于 p 型触点)形成。

在一定的驱动电流范围内对内部量子效率进行了测量,结果显示:没有中间层的 LED 的内部量子效率峰值为 9%,而采用块状 InAlN 中间层的芯片则达到了 21% 的最大值(见插图)。这种性能上的适度提高归因于 AlInN 层中存在缺陷,这可能会受阻于 V 型凹陷。

块状 InAlN 层有一个缺点,就是它会导致接通电压的增加——提供 20 mA 电流需要 3.26 V 偏压,相比之下,对照样品仅需 3.16 V(见插图中的小图)。第二个 InAlN/GaN 界面上的偏振失配被认为是罪魁祸首,产生了一个静电势垒。

该静电势垒问题通过界面上的重掺杂得以解决。在具有超晶格的 LED 中采取了这种做法,它具有平滑的表面、高结构质量,并实现了 68% 的内部量子效率。

Haller 表示,研究小组将继续着力了解表面缺陷。工作重点将专注于弄清这些缺陷的生成机理,并对其加以识别和确认。

 

 

 

图: 在 UV LED 的下方放置一个 InAlN GaN 的超晶格,可以提高内部量子效率,并且不会损害接通电压指标。

 

参考文献

C. Haller et al. Appl. Phys. Express 12 034002 (2019)


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