超格子p型電子ブロッキング層による準ゼロ効率ドロープAlGaN深紫外LED

要旨

本研究では、270 nm発光のほぼドロープフリーAlGaN深紫外LEDを提示します。鍵となる革新は、高い正孔濃度を実現する特別に設計された超格子p型電子ブロッキング層（p-EBL）で、これが多重量子井戸（MQW）への正孔注入を強化します。増加した正孔密度は輻射再結合を促進し、電子漏れを抑制し、従来設計比で外部量子効率（EQE）を2倍に向上させます。

背景

200-280 nmの深紫外（DUV）光は浄水システムなどの用途に不可欠です。AlGaNベースDUV LEDは低駆動電圧と既存浄水アーキテクチャとの互換性で魅力的ですが、280 nm以下の波長で高EQEを達成することは困難です。Alリッチ量子井戸のスレッディング転位密度（TDD）は通常10⁹ cm⁻²オーダーで、内部量子効率（IQE）を著しく制限します。TDDを10⁸ cm⁻²まで低減しても、80 A cm⁻²以上の注入電流で効率ドロープが発生し、EQEを5%以下に低下させます。裸DUVチップの光取り出し効率（LEE）はFDTDシミュレーションで約10%と推定されます。III-窒化物LEDのドロープ主要因は、自由正孔濃度が10¹⁷ cm⁻³程度と低いp型正孔注入層への電子溢れです。スパイク層挿入、Al組成グレーディング、低Al AlGaN層追加など、電子捕獲改善策は検討されてきましたが、Alリッチp-EBLの正孔ブロッキング効果がDUV LEDのボトルネックとなっています。青色LEDで実証済みの超格子p-EBLは正孔輸送向上と電子漏れ抑制の有望ルートですが、DUVデバイスでの実験的エビデンスは乏しい状況でした。本研究では、特別に設計したAlGaN/AlGaN超格子p-EBLが正孔注入改善と効率ドロープ抑制を同時に達成し、準ゼロドロープとEQE 100%向上を実現することを実験的に示します。

方法/実験

2つのLED構造（LED AとLED B、図1）を、水素化物気相成長法（HVPE）でc面サファイア上に作製した4 µm厚AlNテンプレート上に成長。20周期AlN/Al₀.₅₀Ga₀.₅₀N超格子を歪み緩和バッファーとして使用。電子濃度1×10¹⁸ cm⁻³の2 µm厚n-Al₀.₆₀Ga₀.₄₀N層でnコンタクトを形成。活性領域はAl₀.₄₅Ga₀.₅₅N量子井戸（3 nm）とAl₀.₅₆Ga₀.₄₄Nバリア（12 nm）の5周期。10 nm厚AlGaN p-EBLでMQWをキャップ。LED AはバルクAl₀.₆₀Ga₀.₄₀N p-EBL、LED Bは1 nm Al₀.₄₅Ga₀.₅₅N / 1 nm Al₀.₆₀Ga₀.₄₀Nの5周期超格子を採用。この設計は最終バリア直後に超格子を開始し、バリア/EBL界面に負の分極誘起シート電荷を生じさせ、電子を枯渇させ漏れを低減。以降、50 nm p-Al₀.₄₀Ga₀.₆₀Nと50 nm p-GaN、10 nm高Mgドープp⁺-GaNキャップを成長。800 ℃ N₂雰囲気で15分アニールしMgドナーを活性化、p-AlGaNで~1×10¹⁷ cm⁻³、p-GaNで~3×10¹⁷ cm⁻³の正孔濃度を得た。

デバイスは650×320 µm²メサのフリップチップLEDに加工。Ti/Alコンタクトをn側に堆積し900 ℃（1分）アニール。Ni/Au電流拡散層を550 ℃（5分）アニール。最終n/p電極はTi/Al/Ni/Au積層で形成。サファイア側から積分球で光取り出し測定。

数値シミュレーションはAPSYSパッケージで実施。SRH寿命10 ns、オーゲ係数1×10⁻³⁰ cm⁶ s⁻¹、バンドオフセット比50:50、[0001]配向で40%分極を組み込み。裸DUVチップのLEEを10%に設定。

結果と考察

測定電気発光（EL）スペクトル（図2a）は、両LEDでテスト電流範囲全体で~270 nmの安定ピークを示し、自己加熱が最小限であることを確認。LED Bはより強いEL強度。光出力とEQE対電流密度（図2b）で、LED BはEQE約90%向上、効率ドロープがLED Aの約24%からLED Bの約4%（110 A cm⁻²で）に低減。数値結果（図2c）は実験データとよく一致し、シミュレーションモデルを検証。

図3aにMQW内正孔濃度プロファイルを示し、LED Bでより高いことがわかる。超格子p-EBLは正孔密度を2桁増加させ（図3b）、価電子帯バリア高さを低下させ熱力学的正孔輸送を促進。結果としてp型層への電子漏れが抑制され、正孔注入層内電子濃度が低下（図3d）。

輻射再結合率（図4）はLED Bでより高く、改善された正孔注入が光子生成を直接促進しドロープを緩和することを確認。

エネルギーバンドシミュレーション（図5）では、超格子p-EBLが伝導帯バリアを約295 meVから約391 meVに上昇させ、価電子帯バリアを約324 meVから約281 meVに低下させ、電子逃げ出しを抑制し正孔熱放出を強化。バリア低下は順方向電圧も低減（図5c）。

結論

本研究は、慎重に設計されたAlGaN/AlGaN超格子p-EBLが、270 nm DUV LEDにおいて正孔注入強化と電子漏れ抑制を同時に実現できることを実証しました。結果としてEQE 100%向上と効率ドロープの劇的低減を達成し、デバイスを理論限界に接近させました。これらの知見は、次世代高効率DUVエミッターへの明確な道筋を示し、III-窒化物オプトエレクトロニクスにおけるキャリアダイナミクスの理解を深めるものです。

略語

APSYS

半導体デバイス高度物理モデル

DUV

深紫外発光ダイオード

EL

電気発光

EQE

外部量子効率

HVPE

水素化物気相成長法

ICP

誘導結合プラズマ

IQE

内部量子効率

LEE

光取り出し効率

MOCVD

金属有機化学気相成長法

MQWs

多重量子井戸

p-EBL

p型電子ブロッキング層

TDD

スレッディング転位密度