《涨知识啦31》-电流拥挤效应对深紫外发光二极管光电性能的影响

本周《涨知识啦》主要给大家介绍的是深紫外发光二极管中的电流拥挤效应。目前深紫外发光二极管（DUV LED）主要采用倒装结构来降低紫外光自吸收的问题，所以芯片的p-型电极焊盘和n-型电极焊盘只能制备在外延片表面的同一侧，常见器件结构及等效电路如图1所示。由于电流扩展层（CL）的厚度远小于n型AlGaN层的厚度，所以CL层的横向电阻RCL大于n型AlGaN层的横向电阻Rn，也就是说电流J1通过p-型电极焊盘下方的路径时受到的阻力远小于电流Jn受到的阻力，导致器件内部产生电流拥挤效应, 即p型电极焊盘下方的电流密度大于靠近n型电极焊盘所在台面边缘的地方。此外，高Al组分的p型AlGaN材料的Mg杂质电离能较高，导致p-AlGaN区域的空穴浓度过低，降低了器件p型区域的电导率，进一步加剧DUV LED内部的电流拥挤效应。电流拥挤效应会使器件局部区域的载流子浓度降低，这就意味着注入到有源区中的电子-空穴对产生的辐射复合率降低，最终影响器件的发光性能。同时，电流拥挤效应还会增加DUV LED的正向工作电压，致使器件结温升高，造成效率衰减，影响器件寿命。

图1. AlGaN基DUV LED剖面结构示意图，其中电流J1至Jn代表从p型电极焊盘到n型电极焊盘的电流传输路径。
为改善电流拥挤效应，需要使电流在整个器件中均匀扩展，这主要有两种解决方法：
一是通过优化电极几何形状（例如采用X型电极、H型电极和叉指电极等图形化的电极），改变电流传输路径，参考图2；

图2. AlGaN基DUV LED中不同电极形状下电流密度分布示意图。
二是调控器件内部电导率，尽量使J1和Jn的电流值大小接近。为平衡DUV LED中p型区域和n型区域的阻值，我司技术团队借助Crosslight公司先进的半导体器件设计平台设计了具有内嵌PN结的器件结构，并通过器件的制备与表征进行了验证。如图3所示，技术团队通过在DUV LED的空穴注入层中增加p-AlGaN/n-AlGaN/p-AlGaN（PNP-AlGaN）结，有效地改善了器件内部的空穴载流子分布，进而提高了有源区中的空穴浓度，但在DUV LED正常工作状态下，p型区增加的n-AlGaN/p-AlGaN结处于反偏状态，因此需要合理设计n-AlGaN插入层的参数避免形成阻碍空穴注入的电流阻挡层，例如通过改变n-AlGaN插入层中Al组分、厚度、掺杂浓度以及p-AlGaN/n-AlGaN/p-AlGaN结的个数调控DUV LED的电流分布情况。除此之外，还可以通过将高Al组分n-AlGaN层插入到电子注入层中增加DUV LED的纵向电阻，进而实现器件的横向电流扩展。

图3. 具有PNP-AlGaN结的DUV LED的（a）器件结构示意图和（b）能带结构示意图；传统DUV LED和具有PNP-AlGaN结的DUV LED的（c）横向空穴浓度分布图和（d）有源区中的空穴浓度分布图。
详细信息可参考如下论文：
[1] Journal of Physics D: Applied Physics, DOI: 10.1088/0022-3727/49/23/235101
[2] IEEE Electron Device Letters, DOI: 10.1109/LED.2020.2997476
[3] Nanoscale Research Letters, DOI: 10.1186/s11671-018-2776-y
[4] IEEE Photonics Technology Letters, DOI: 10.1109/LPT.2019.2920527
[5] Nanoscale Research Letters, DOI: 10.1186/s11671-019-3078-8

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