PNP-AlGaN構造によるAlGaN系深紫外LEDの電流拡散向上

概要

p-AlGaN/n-AlGaN/p-AlGaN（PNP-AlGaN）電流拡散層を組み込んだAlGaN系深紫外発光ダイオード（DUV LED）を検討した。PNP-AlGaN構造は価電子帯バリアを導入し、横方向電流流れを再構成することで、この構造を持たない従来DUV LEDと比較して順方向電圧、外部量子効率（EQE）、光出力、壁面プラグ効率（WPE）を改善する。

はじめに

2003年の初実証以来、AlGaN系DUV LEDは水滅菌、空気浄化等のUV用途でキーコンポーネントとなっている。しかし、発光波長が300 nm以下ではEQEが通常10%未満に留まり、主にキャリア注入と転位媒介再結合に支配される内部量子効率（IQE）の限界による。多くのDUVデバイスはサファイア基板上にフリップチップ構造で作製され光取り出しを向上させるが、これにはn電極とp電極が同一面側に必要で、非均一横方向電流密度と悪名高い電流集中効果を招く。電流集中は局所ジュール熱と不均一発光を生じ、デバイス寿命を短縮する。Alリッチp-AlGaNでのMgドーピング効率の悪さが電気伝導度をさらに妨げ、電流拡散改善の必要性を強調している。

選択的イオン注入、電流ブロッキング層、窒素欠陥エンジニアリング、最適化オーミックコンタクトなど、GaN系青色LEDでの電流集中緩和策は多数報告されているが、DUV LEDへの類似解決策は乏しい。ここでは、p-AlGaN/n-AlGaN/p-AlGaN（PNP-AlGaN）電流拡散層を提案し、価電子帯バリアを生成してp型正孔注入層の抵抗率を変調し、横方向電流流れを制御する。PNP-AlGaN設計を最適化することで、EQE、WPEの大幅向上と順方向電圧低減を実証。また、PNPループ数、Siドーピング、層厚、AlN組成がデバイス性能に与える影響を包括的にパラメトリックスタディした。

研究方法と物理モデル

すべてのシミュレーションデバイスは、4 µm厚n-Al_0.60Ga_0.40Nベース（Si 5×10¹⁸ cm^-3）、3 nm Al_0.45Ga_0.55N/12 nm Al_0.56Ga_0.44N多重量子井戸（MQW）5周期、18 nm p-Al_0.60Ga_0.40N電子ブロッキング層（EBL）、198 nm p-Al_0.40Ga_0.60N層、50 nm p-GaNキャップで構成。正孔濃度は全域で3×10¹⁷ cm^-3に設定。PNP-AlGaNデバイスでは、従来のp-Al_0.40Ga_0.60N層をp-Al_0.40Ga_0.60N/n-Al_xGa_1-xN/p-Al_0.40Ga_0.60Nスタックに置換（図1b）。n-Al_xGa_1-xN挿入層はSiドープ（5.3×10¹⁷ cm^-3）、20 nm厚で、価電子帯バリアを形成し横方向電流流れを制御（図1c）。

メカニズム説明のため、サファイア上DUV LEDを等価回路でモデル化（図2a）。薄い電流拡散層（≈200 nm）と厚いn-AlGaN注入層（≈4 µm）で、p電極から外側へ横方向電流密度が減少し、電流集中が発生。PNP-AlGaN導入により全電流を垂直成分（J₁）と水平成分（J₂）に分割（図2b）。関係式は

$$\frac{J_1}{J_2}\approx\frac{l}{\frac{\rho_p}{\rho_{\mathrm{CL}}}t_p+\frac{N\cdot\rho_{\mathrm{PNP}}}{\rho_{\mathrm{CL}}}}$$

ここでρ_pはp層抵抗率、ρ_CLは拡散層抵抗率、ρ_PNPは各PNP接合界面抵抗率、Nは接合数。この式は、ρ_CL低減やρ_PNP増大（厚いまたは高ドープn-AlGaN）が水平電流J₂を増やし、拡散を改善することを示す。

デバイス物理はAPSYSでシミュレーション。AlGaN/AlGaNヘテロ接合で伝導帯/価電子帯オフセット比50:50、分極電荷40%、オーゲ係数1.0×10^-30 cm⁶/s、SRH寿命10 ns、DUV LED光取り出し効率8%を採用。

結果と考察

PNP-AlGaN接合の有効性

参照LED A（PNP-AlGaNなし）とLED B（PNP-AlGaN 2ループ）を比較。正孔はMQW到達前に2つの価電子帯バリアに遭遇し、横方向均質化を促進（図3a）。最終量子井戸（LQW）での横方向正孔分布でLED Bのより均一なプロファイルを確認（図3b）、エネルギーバンド解析と整合。

メサエッジから230 µmでの正孔濃度と放射再結合プロファイルで、LED BがMQWへの正孔注入増加により恩恵を受け、EQE 22.2%向上（3.38%→4.13%）、順方向電圧微増（図5b）。それでも壁面プラグ効率（WPE）は3.56%から4.27%へ改善（図5c）。PNP-AlGaN接合での顕著な電圧降下が高電流密度でのWPEドロープを説明（図8）。

n-AlGaN厚みの最適化

20 nm n-AlGaN挿入層を6-34 nmに変化させ、価電子帯バリア高さを系統的に増大（表1）。バリア増大で界面抵抗率（ρ_PNP）上昇、より多くの横方向電流を駆動しLQW全体で正孔均一分布（図6a）。対応してMQWでの正孔濃度と放射再結合増加、EQEと光出力向上（図7a）。しかし順方向電圧はバリア高さとともに上昇、WPEは20 nm挿入でピーク、より厚い層で低下（図8）。拡散利益と追加電圧降下のトレードオフが明確になり、最適挿入厚を指針とする。

n-AlGaNドーピングの影響

20 nm n-AlGaN層のSiドーピングを1.3×10¹⁷から1.73×10¹⁸ cm^-3に増加、価電子帯バリア上昇（表2）、横方向電流増強と正孔分布均質化（図9a）。MQW正孔濃度上昇で放射再結合とEQE改善（図10a）。しかし1.33×10¹⁸ cm^-3超で順方向電圧急上昇、寄生ダイオード効果を示唆、電圧消費優位でWPE低下（図11）。

PNP-AlGaN接合数の効果

固定20 nm、5.3×10¹⁷ cm^-3、AlN=0.40で、1-4ループのPNP-AlGaNデバイス（LED N1-N4）を比較。ループ増加で累積バリア増大（表3）、横方向正孔分布さらに平坦化（図12a）、正孔濃度と放射再結合増大（図12b,c）。EQEと光出力はループ数とともに上昇、順方向電圧は緩やかに増加（図13b）。WPEは安定、EQEとWPEは4ループ以上で飽和、p層が薄くなり正孔供給不足になるため収穫逓減を示唆。

n-AlGaN中のAlN組成効果

20 nm n-AlGaNのAlN分率を0.40-0.51に変化、価電子帯バリア上昇（表4）。0.43への適度増加で正孔注入を過度に阻害せず電流拡散を最適化。より高組成ではバリア過大で正孔貫通減少（図15a,b）。EQEは組成0.43まで改善、順方向電圧はAlN分率増加で上昇（図16b）。WPEは89 A/cm²以上で0.51で最大、拡散と電圧ペナルティのバランス必要性を示唆（図17）。

結論

p-AlGaN/n-AlGaN/p-AlGaN（PNP-AlGaN）接合がAlGaN系DUV LEDの電流拡散を効果的に改善することを実証。挿入厚、Siドーピング、AlN組成、接合数を調整することで垂直抵抗を増大し水平電流を増強、EQEとWPE向上に繋がる。しかし過度なバリア高さや過剰接合は順方向電圧上昇とWPE低下を招く。したがって、すべての4パラメータを最適化するバランス設計がデバイス効率最大化に不可欠である。