チャープ超格子電子減速層によるAlGaN深紫外LED効率向上

概要

AlGaNベース深紫外（DUV）発光ダイオード（LED）は電子オーバーフローと不十分な正孔注入に悩まされています。本論文では、活性領域へ注入される電子を減速し放射再結合を改善する超格子電子減速層（SEDL）を備えた新規DUV LED構造を提案。複数のチャープSEDLのDUV LED性能への影響を実験的・数値的に研究。DUV LEDは金属有機化学気相成長法（MOCVD）で成長し、762×762 µm²チップに加工、275 nm単一ピーク発光を示す。順方向電流40 mAで外部量子効率（EQE）3.43%、動作電圧6.4 Vを測定し、昇順Al組成チャープSEDLを持つDUV LEDの壁面プラグ効率（WPE）は2.41%。昇順Al組成チャープSEDLを持つDUV LEDの寿命はL50で10,000時間超、キャリア注入促進によるもの。

はじめに

近年、AlGaNベース深紫外（DUV）LED（UVB: 320-280 nm、UVC: 280-100 nm）は、植物照明、光線療法、水質浄化、空気・表面殺菌への応用[1-6]で注目されています。しかし、最先端AlGaNベースDUV LEDの発光出力パワー（LOP）は発光波長が短くなるにつれ大幅に低下[7, 8]。これらDUV LEDは低内部量子効率（IQE）、光取出効率（LEE）、キャリア注入効率（CIE）に苦しみます[9-13]。一般にIQE低下は欠陥・スレッディング転位高密度、LEE不足はAlGaN分極と非透過p-GaNコンタクト層吸収、CIE悪化の主因は電子オーバーフローで、AlGaN材料の不十分な正孔密度と電子・正孔の著しい移動度アンバランスに起因[19, 20]。

従来、高Al組成p型AlGaN電子ブロッキング層（EBL）で電子オーバーフロー抑制。しかしEBLによる価電子帯バリアで正孔注入も阻害され、Mgドーパントの低活性化効率と正孔の小さな移動度で活性領域バリア通過もさらに困難[21]。正孔バリア層、特殊設計ラストバリア、EBL、多重量子井戸構造など様々な試み[22-26]がなされたが、DUV LED性能は実質的に改善されていません。

本研究では、電子注入を減速し電子オーバーフローを抑制しつつ正孔注入を損なわない超格子電子減速層（SEDL）を備えた新規DUV LED構造を提案。複数SEDLの効果を実験的・数値的に研究。MOCVD成長、762×762 µm²チップ加工、275 nm単一ピーク発光。昇順Al組成チャープSEDLを持つDUV LEDでEQE 3.43%、動作電圧6.4 V（40 mA）、WPE 2.41%達成。同SEDLのDUV LED寿命はL50で10,000時間超。さらに理論シミュレーションで性能向上メカニズムを調査。チャープSEDLが活性領域への電子・正孔注入を均衡化し、n型層近傍の最初の数量子井戸での放射再結合を促進することを検証。

方法と実験

MOCVDによるエピタキシー

AlGaNベースDUV LEDヘテロ構造を垂直コールドウォールMOCVDシステムで成長。全構造エピタキシーにトリメチルアルミニウム（TMA）、トリメチルガリウム（TMG）、アンモニア（NH₃）をAl、Ga、N源として使用。H₂をキャリアガスとして使用。図1aにチャープSEDL付きDUV LED構造概略図。成長は2.7 µm厚AlNから開始（成長モード変更のため初期AlN勾配中間層使用[27]）、次に3 µm厚SiドープAl₀.₆Ga₀.₄N n型コンタクト層（電子濃度4.5×10¹⁸ cm⁻³、移動度52 cm²/V·s、Hall測定）。続いて40 nm厚非ドープSEDL。図1b-eに従来DUV LEDと3提案SEDL構造（サンプルA、B、C、D）のバンド構造。図1cでサンプルBは20周期均質Al₀.₆₅Ga₀.₃₅N/Al₀.₅Ga₀.₅N超格子の均一SEDL。サンプルC、DのチャープSEDLは高Al組成層が0.7、0.65、0.6、0.55の4組5周期超格子で構成、低Al組成層は0.5固定。サンプルCでは高Al組成層が下から上へ徐々に上昇、サンプルDでは逆（図1d, e）。SEDL各層厚は1 nm固定。DUV LED活性領域はAl₀.₆Ga₀.₄N:Siクラッディング層（電流拡散用）、5周期多重量子井戸（14 nm Al₀.₅₇Ga₀.₄₃Nバリア、2 nm Al₀.₄₅Ga₀.₅₅Nウェル）。その後Al₀.₇Ga₀.₃N:Mg EBLとGaN:Mg p型コンタクト層を順次成長。p-GaN正孔濃度3.6×10¹⁷ cm⁻³、移動度15 cm²/V·s（Hall測定）。

デバイス作製

MOCVD成長後、標準プロセスでDUV LED作製。まず、SiドープAl₀.₆Ga₀.₄N n型コンタクト層の150 nm下までドライエッチングでメサ構造（正方形とフィンガー形状）形成、900 ℃アニールでエッチングダメージ修復。次にTi/Al/Ni/Au nコンタクト金属スタック堆積、850 ℃窒素雰囲気アニール。続いてITO膜蒸着、250 ℃アニールでpコンタクト用、厚電極蒸着、パッシベーション層堆積、パッド蒸着、ステルスダイシングで762×762 µm²チップ化。

シミュレーション

DUV LED性能向上メカニズム解明のため、バンド図、光学特性、キャリア輸送特性をCrosslight APSYS（Advance Physical Model of Semiconductor Devices）プログラム[28]で、シュレディンガー方程式、ポアソン方程式、キャリア輸送方程式、電流連続方程式を自己整合的に解いてシミュレーション。ショックリー-リード-ホール（SRH）再結合時間はp型挿入層を除く全層で1.5 ns（ドーピングレベル依存のため1 ns）[29]。内部損失2000 m⁻¹[30]。バウイングパラメータb=1 eV、AlGaNバンドオフセット比0.7/0.3[31]。オーゲ再結合係数1×10⁻³⁰ cm⁶/sで実験フィット[32]。Fiorentiniらの手法[33]で自発・圧電分極によるビルトイン界面電荷計算。さらに欠陥スクリーニング考慮で表面電荷密度を計算値の40%と仮定[34]。

結果と考察

4サンプルは同一AlNとn型AlGaNテンプレートを持つため、高分解能X線回折（HR-XRD）でサンプルA、B、C、Dの結晶品質測定。表1に示す通り、対称(002)面と非対称(102)面でX線ロッキングカーブ（XRC）実施。結果、4サンプルのXRC半値全幅（FWHM）とスレッディング転位密度（TDD）はほぼ同一で、結晶品質がデバイス性能向上の主因でないことを示唆。さらにAlGaN層のTDDがAlN層より高く、混晶特性、界面欠陥、Siドーピング不純物起因[35]。BanらのIQEとTDD相関研究[36]により、本研究全サンプルIQEは約30-40%。

新規構造成長成功確認のため、代表的サンプルBで断面明視野走査透過電子顕微鏡（BF-STEM）測定実施（図2）。図2aで2.7 µm厚AlN成長全過程でTDD減少確認。図2bでSEDL 20周期の良好な周期性とほぼ1 nm厚層を確認。図2cで5周期多重量子井戸の明確な界面認識、バリア14 nm、ウェル約2.1 nm。

デバイス性能調査のため、DUV LEDチップをAlNセラミック基板に共晶接合し発熱影響最小化。基板を半田ペーストで六角アルミプレートに搭載。ATA-1000光電分析システムと30 cm径積分球[37]で電気光学測定実施。図3aに発光出力パワー（LOP）対注入電流変化。サンプルD（昇順Al組成SEDL）のLOPは40 mAで6.17 mW、100 mAで14.99 mW、360 mAで44.975 mWで、SEDLなし従来サンプルAの3倍。SEDLが電子オーバーフロー抑制と正孔注入促進に有益。4サンプルすべてで高バイアス時わずかなLOP飽和観察、発熱とオーゲ再結合関連[38]。図3bにEQE対注入電流。サンプルDで最大EQE 3.43%（40 mA）、サンプルAは1.17%のみ。サンプルDのLOPとEQEは均一・降順Al組成SEDLのサンプルB、Cより高く、サンプルDでより効率的放射再結合実証。図3cに全サンプル電流-電圧特性。SEDL導入で動作電圧がサンプルAの5.13 V（40 mA）からサンプルBの7.09 V（40 mA）へ上昇、高Al組成SEDLの抵抗率増大起因。サンプルC、DはサンプルBより低電圧。構造設計と単層サンプル透過測定から、サンプルC、DのSEDLバリア平均Al組成62.5%、サンプルBは65%。高Al組成はドーピング効率低下と高抵抗化、動作電圧上昇につながる。注目すべきはサンプルD電圧が40 mAで6.4 V、最大壁面プラグ効率（WPE）2.41%達成。10 mA時電気発光スペクトルを図3dに示す。4サンプルピーク発光すべて275 nm付近、ピーク強度傾向はLOPと同一。昇順Al組成チャープSEDLがDUV LEDデバイス性能向上に有効であることも示唆。

改善メカニズム解明のためAPSYSプログラムで理論シミュレーション実施、結果を図4に表示。200 mA注入時の活性領域付近電子電流密度と正孔電流密度分布を図4a, bに計算。SEDLありサンプルの電子注入電流密度はサンプルA（SEDLなし）よりわずかに低く、正孔注入電流では逆の傾向、SEDLがn型AlGaN電子注入層からの電子を減速し正孔注入を促進することを示唆。全サンプル放射再結合率を図4cに計算。異なるSEDL導入で、n型層近傍量子井戸の放射再結合率が明確に増加。サンプルAからDへ、5量子井戸内放射再結合率が徐々に均一化、サンプルD（昇順Al組成チャープSEDL）でほぼ同一に。これはSEDLが活性領域への電子・正孔キャリア注入を均衡化し、同時にn型層近傍最初の数量子井戸での放射再結合を促進することをさらに示唆。4サンプルIQEをシミュレーションし図4dにプロット。サンプルDのIQEが最高で、図4bのEQEと整合。さらに、SEDLありサンプルで効率ドロープが明確に改善。全注入電流範囲で効率ドロープ（=(IQE_max - IQE_250mA)/IQE_max）はサンプルA、B、C、Dでそれぞれ70.33%、59.79%、48.93%、36.26%。効率ドロープは一般に電子リークと不十分な正孔注入起因[39]。ドロープ改善はSEDLが活性領域へのキャリア輸送をバランスさせ、量子井戸での放射再結合を促進し、デバイス性能向上につながることを明確化。

デバイス寿命を20 mA、室温で測定。各サンプルで精度確保のため10チップをランダム選択、異なるストレス時間での相対LOP平均を図5にプロット。サンプルA比でSEDLありサンプルの寿命が明確に延長。LED劣化は欠陥蓄積、オーム伝導チャネル、不十分キャリア注入に関連[40]。寿命向上はSEDLが電子・正孔輸送をバランスし活性領域へのキャリア注入促進することをさらに検証。昇順Al組成チャープSEDLを持つサンプルDの平均動作寿命はL50で10,000時間超、実用用途に十分。

結論

チャープ超格子電子減速層のDUV LEDへの効果を実験的・数値的に調査。チャープSEDLが活性領域への電子・正孔注入を均衡化し、n型層近傍最初の数量子井戸での放射再結合を促進することを結果が示唆。放射再結合増加がDUV LEDデバイス性能向上につながる。AlGaNベースDUV LEDを762×762 µm²チップに加工、275 nm単一ピーク発光。40 mA順方向電流でEQE 3.43%、動作電圧6.4 V測定、昇順Al組成チャープSEDLを持つDUV LEDのWPE 2.41%実証。同SEDLのDUV LED寿命はL50で10,000時間超、キャリア注入促進による。更なる改善はレーザーリフトオフ、表面粗面化、反射電極、封止導入で期待。総じて、チャープSEDL設計DUV LEDは満足な電気特性、好ましい光学性能、望ましい信頼性を示し、高効率水質浄化と表面殺菌に有望。

データと材料の入手可能性

原稿のすべてのデータと材料は利用可能です。

略語

APSYS:

Advance Physical Model of Semiconductor Devices

BF-STEM:

明視野走査透過電子顕微鏡

CIE:

キャリア注入効率

DUV:

深紫外

EBL:

電子ブロッキング層

EQE:

外部量子効率

FWHM:

半値全幅

HR-XRD:

高分解能X線回折

IQE:

内部量子効率

LED:

発光ダイオード

LEE:

光取出効率

LOP:

発光出力パワー

MOCVD:

金属有機化学気相成長法

SEDL:

超格子電子減速層

SRH:

ショックリー-リード-ホール

TDD:

スレッディング転位密度

TMA:

トリメチルアルミニウム

TMG:

トリメチルガリウム

WPE:

壁面プラグ効率

XRC:

X線ロッキングカーブ