Tính toán định hướng chế tạo cấu trúc UVLED cho bước sóng phát xạ 330nm

Nội dung text: Tính toán định hướng chế tạo cấu trúc UVLED cho bước sóng phát xạ 330nm

1. TÍNH TOÁN ĐỊNH HƯỚNG CHẾ TẠO CẤU TRÚC UVLED CHO BƯỚC SÓNG PHÁT XẠ 330nm Huỳnh Hoàng Trung Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, Việt Nam ABSTRACT: High-efficiency Ultraviolet Light Emitting Diodes (UVLEDs) have attracted great attention in recent decades due to their promising applications in many fields. Such solid-state light sources are expected to replace the traditional fluorescent and incandescent lamps from the viewpoint of energy saving. Furthermore, UVLED are useful for application in the medical and biochemical fields, and the purification of the environment. In this paper, we provide an overview of research developments of UVLED. We calculate the physical and optical properties for the structure of UVLED with 3 multi-quantum wells of iAlyGa1-yN barrier - iAl0.15Ga0.85N QW - iAlyGa1-yN barrier by the SiLENSe software. This UVLED is emitted the wavelength of 330nm for sterilization. Keywords: UVLED, MOCVD, III-Nitrides, AlGaN, MQWs I. GIỚI THIỆU trực tiếp vùng cấm của vật liệu nền AlGaN Vật liệu bán dẫn Nitrid, hợp kim có thể được điều chỉnh giữa 3.4eV (GaN) AlGaN, InGaN và InAlGaN với cấu trúc đến 6.1eV (AlN). tinh thể wurtzite đang thu hút sự quan tâm Những nổ lực đáng kể để chế tạo của rất nhiều nhà khoa học và phòng thí những linh kiện bán dẫn Nitrid đã được bắt nghiệm trên thế giới vì chúng là vật liệu đầu gần bốn thập kỷ qua. Năm 1971, tiềm năng để đạt được LED phát xạ cực tím Pankove và cộng sự đã đưa ra cấu trúc LED sâu (DUVLED) và diode laze (LD). trên cơ sở GaN đầu tiên. Năm 1992, UVLED dị cấu trúc kép AlGaN/GaN có hiệu suất cao đã được thực hiện bởi Akasaki và cộng sự [1]. Sau đó, UVLED đa giếng lượng tử AlGaN/GaN đỉnh bước sóng phát xạ tại 353nm đã được chứng minh bởi Han và cộng sự vào năm 1998 [2]. Năm 2004, UVLED với đỉnh bước sóng phát xạ ngắn 250nm đã được công bố bởi Adivarahan và cộng sự [3]. UVLED gần hiệu suất cao, bước sóng phát xạ 365nm với vùng kích hoạt InGaN được thực hiện bởi Nichia Inc [4]. Tuy nhiên, bởi vì năng lượng vùng cấm của InGaN có giới hạn, AlGaN và AlInGaN cần thiết được sử dụng để đạt được dải quang Hình 1. Sự liên hệ giữa năng lượng chuyển phổ phát xạ UV sâu. Vào đầu năm 2004, trạng thái trực tiếp của vùng cấm với hằng Khan và cộng sự đã báo cáo một nhóm số mạng. UVLED sâu với dải quang phổ đạt được 250nm được thực hiện trên cấu trúc với nền Hình 1 thể hiện sự liên hệ giữa năng AlGaN [3,5,6]. Đặc biệt, UVLED AlGaN với lượng chuyển trạng thái trực tiếp của vùng 10mW hoạt động dạng xung tại 265nm và cấm với hằng số mạng của hệ thống vật liệu 1.2mW hoạt động dạng sóng liên tục đã InN, GaN và AlN có cấu trúc tinh thể được thực hiện vào năm 2005 [6,7]. wurtzite. Sự phát quang chuyển trạng thái Việc thực hiện UVLED với bước sóng
2. phát xạ dưới 350nm, hiệu suất cao vẫn còn 2.1 Cấu trúc UVLED nhiều thách thức. Ngoài nối chuyển tiếp p-n, UVLED có Ngày nay, ứng dụng của những phát xạ một vùng đặc biệt hơn so với LED thông có bước sóng cực tím UV đã được biết đến thường, vùng phát xạ có bước sóng cực tím như bảo mật thông tin, phân tích thành phần với cấu trúc đa giếng lượng tử MQWs và khoáng sản, đo nồng độ ozon trong không màng khoá điện tử. Giếng lượng tử đơn khí, tiệt trùng sử dụng trong y khoa và khử được tổng hợp từ hai loại bán dẫn khác trùng nguồn nước sinh hoạt, nhau với năng lượng vùng cấm Eg, barrier và Trong bài báo cáo này, tác giả tính toán Eg, well. Khi được kích hoạt bởi dòng điện áp những thông số vật lý và quang học cho mô vào hai điện cực của UVLED, các điện tử hình cấu trúc LED tiềm năng phát xạ cực trong lớp bán dẫn loại n sẽ di chuyển qua tím với bước sóng khoảng 330nm qua phần các giếng lượng tử MQWs và gặp các lỗ mềm mô phỏng SiLENSe. trống trong lớp bán dẫn loại p, điện tử và lỗ trống tái hợp và phát xạ photon được thể II. MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ KHẢO hiện hình 2. SÁT QUA PHẦN MỀM SiLENSe (b) (a) Hình 2. (a) Nguyên lý phát quang của nối p-n; (b) Sơ đồ năng lượng và năng lượng vùng cấm (band gap energy) giếng lượng tử của LED. Năng lượng vùng cấm của giếng lượng tử sẽ cho bởi phương trình (1): Eg,QW = Eg,well + EO,e + EO,h (1) với EO,e và EO,h: năng lượng lượng tử hoá điện tử và lỗ trống. Năng lượng photon phát xạ của LED là năng lượng vùng cấm của giếng lượng tử: Eg,QW = hc/ (2) Vậy năng lượng vùng cấm của giếng lượng tử càng lớn thì bước sóng photon phát xạ càng ngắn. Việc sử dụng đa giếng lượng Hình 3. Mô hình cấu trúc của LED phát xạ tử để tăng cường sự giam giữ hạt tải, một cực tím với bước sóng khoảng 330nm. cấu trúc có nhiều hơn một giếng lượng tử nên có thể giam giữ nhiều hạt tải hơn. Do AlGaN UVLED xem xét trong nghiên đó, năng lượng photon phát xạ cao hơn. cứu này được phát triển trên nền sapphire * Cấu trúc UVLED 330nm (0001), thực hiện dựa trên hệ thống lắng
3. động hoá học kim loại hữu cơ (Metal barrier (Lbarrier = 2nm). Màng khóa điện tử Organic Chemical Vapor Deposition, p-Al0.25Ga0.75N với bề dày màng 10nm MOCVD). Trong quá trình chế tạo, việc có tác dụng khóa không cho điện tử đi điều khiển số chu kỳ giếng lượng tử được ngược lại vào MQWs. thực hiện dễ dàng qua qui trình tạo xung 2.2 Kết quả khảo sát điều khiển các pha: NH3, AlN và GaN của 2.2.1 Năng lượng, phân bố hạt tải theo hệ MOCVD để có được những màng mỏng mật độ dòng vào cấu trúc khác nhau với thành phần Al, Ga và N khác Nhóm nghiên cứu đã khảo sát dải năng nhau. Qua đó các giếng lượng tử được hình lượng tại năm mật độ dòng khác nhau từ thành. Do đó, trong mô phỏng tính toán, 5.708x10-7A/cm2 đến 1.372x105 A/cm2 như nhóm nghiên cứu đã thay đổi các thông số hình 5 bên dưới. Hình dạng của ba răng cưa cấu trúc và vật lý nhằm có được những cấu là phân bố năng lượng của ba giếng tử của trúc UV LED tốt nhất. Qua những thông số vùng kích hoạt MQWs. Mỗi răng cưa tương vào cho mô phỏng tính toán bởi phần mềm ứng một giếng lượng tử và theo thứ tự. SiLENSe, nhóm nghiên cứu đã thu được Giếng lượng tử thứ ba tiếp giáp với rào cản mô hình cấu trúc đa giếng lượng tử i-AlxGa1-xN barrier (Lwell = 2nm), n-AlGaN và p-AlGaN của LED cho phát xạ conduction band là năng lượng vùng dẫn với bước sóng đỉnh khoảng 330nm. Hình 4 của điện tử, valence band là năng lượng mô tả cấu trúc của n-AlGaN và p-AlGaN vùng hoá trị của lỗ trống. UVLED mà nhóm thực hiện nghiên cứu và Mật độ phân bố hạt tải (hình 5) có tính tính toán. Sử dụng điện cực n và điện cực p đối xứng trong vùng kích hoạt MQWs. có cấu trúc Au/Ni với bề dày 50nm/100nm. Sóng răng cưa xuất hiện và tăng dần trong Việc xác định kích thước của các lớp giếng cuối khi điện tử chuẩn bị vượt qua AlGaN như thế nào, ảnh hưởng của nó đến rào cản của giếng lượng tử để vùng lỗ trống. cường độ và bước sóng phát xạ, nồng độ sự đối xứng giữa mật độ điện tử và lỗ trống pha tạp, là thông số khảo sát của nhóm vì ba giếng lượng tử liên tục nên vùng dẫn nghiên cứu. và vùng hoá trị là đối xứng khi chuyển từ Vùng kích hoạt MQWs của UVLED vùng n đến vùng p. Qua đồ thị phân bố thực hiện nghiên cứu có ba giếng lượng tử năng lượng (hình 4), mật độ phân bố hạt tải bao gồm i-AlyGa1-yN barrier (Lbarrier = 5nm) (hình 5) trong các giếng lượng tử là đồng và i-Al0.15Ga0.85N well (Lwell = 1-5nm), đều trong các giếng lượng tử của vùng kích giếng lượng tử cuối cùng có i-AlxGa1-xN hoạt MQWs tại mật độ dòng thấp. 17 -3 p_AlyGa1-yN: Na = 1x10 cm 1 Lwell = 5.0 nm 0 0 17 -3 p_AlyGa1-yN: Na = 1x10 cm -1 2 -1 Current density, J = 6.512x10 /cm -1 1 -2 conduction/valence J = 1.162x10 A/cm 5 -2 conduction/valence J = 1.372x10 A/cm -2 4 -2 conduction band -2 conduction/valence J = 1.978x10 A/cm valence band -1 -2 Energy(eV) Energy(eV) conduction/valence J = 6.512x10 A/cm electron Fermi -7 -2 hole fermi conduction/valence J = 5.708x10 A/cm -3 -3 -4 -4 480 500 520 540 560 580 480 500 520 540 560 580 Distance (nm) Distance (nm) (a) (b) Hình 4. Kết quả mô phỏng hạt tải tương ứng độ rộng giếng Lwell = 5nm: (a) Giản đồ năng lượng theo khoảng cách với mật độ dòng J = 6.512x10-1A/cm2, (b) Giản đồ năng lượng theo khoảng cách với năm giá trị của mật độ dòng J từ 5.708x10-7A/cm2 đến 1.372x105A/cm2
4. 21 10 20 10 20 19 10 ) ) 10 -3 -3 18 10 17 10 19 16 10 10 15 10 14 10 13 18 10 10 17 -3 p_Al Ga N: N = 1x10 cm 12 y 1-y a 5 2 10 Current density, J = 1.372x10 A/cm 17 -3 11 p_Al Ga N: N = 1x10 cm 10 y 1-y a concentration Carrier (cm Carrier concentration Carrier (cm -1 2 Current density, J = 6.512x10 A/cm electron 10 17 10 electron 10 hole hole 9 10 480 500 520 540 560 580 480 500 520 540 560 580 Distance (nm) Distance (nm) Hình 5. Kết quả mô phỏng hạt tải tương ứng độ rộng giếng Lwell = 5nm: mật độ phân bố hạt tải theo khoảng cách với mật độ dòng từ 6.512x10-1 đến 1.372x105A/cm2 2.2.2 Hiệu suất phát xạ, đặc trưng I-V và 3nm. Vì vậy, khi chế tạo UVLED dựa của UVLED vào cấu trúc hình 4, lớp i-AlyGa1-yN well Hình 6 (a) thể hiện hiệu suất phát xạ của MQWs với độ dày 2nm là hợp lý. nội như là hàm của mật độ dòng được tính Hình 6 (b) cho thấy đặc trưng I-V của toán cho độ rộng của giếng ở vùng kích cấu trúc UVLED có dòng điện tử đạt ổn hoạt MQWs khác nhau từ 2nm đến 5nm. định tương đối với điện thế phân cực từ 4V Chúng ta thấy hiệu suất phát xạ nội tăng và đến 4.5V ứng với lớp i-AlyGa1-yN well của ổn định với độ rộng của giếng ứng với 2nm MQWs có độ dày 2nm. 0 10 2 10 1 10 -1 0 10 10 -1 10 -2 10 -2 10 -3 10 17 -3 -4 p_AlyGa1-yN: Na = 1x10 cm 10 Lw thick i_AlyGa1-yN well 17 -3 -5 -3 p_Al Ga N: N = 1x10 cm 10 y 1-y a 10 5nm Lw thick i_Al Ga N well -6 y 1-y 10 4nm -7 3nm 5nm 10 2nm -4 10 4nm -8 3nm 10 2nm -9 Electric(A) current 10 -10 -5 10 10 -11 10 InternalEmission Efficiency (%) -12 10 -6 -13 10 10 -14 10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 10 10 10 10 10 102 10 Current density (A/cm ) Bias (V) Hình 6. (a) Đặc trưng I-V và (b) Hiệu suất phát xạ với mật độ dòng được tính toán cho độ rộng của giếng Lwell khác nhau từ 2nm đến 5nm. II. III. KẾT LUẬN hợp với công bố của tác giả V. F. Mymrin [9]. Cấu trúc UVLED cho bước sóng phát Các kết luận trong nghiên cứu này rất quan xạ khoảng 330nm sử dụng vật liệu bán dẫn trọng để định hướng cho việc chế tạo AlGaN được mô phỏng tính toán chi tiết UVLED với bước sóng phát xạ khoảng qua phần mềm mô phỏng SiLENSe phù 330nm trên thiết bị MOCVD tại SHTP
5. trong tương lai. [5]. V. Adivarahan, S. Wu, J. P. Zhang, A. Chitnis, M. Shatalov, V. Madavilli, R. TÀI LIỆU THAM KHẢO Gaska, and M. A. Khan, Appl. Phys. [1]. I. Akasaki and H. Amano, Rom Lett., vol. 84, 2004, pp. 4762-4764. temperature ultraviolet/blue light [6]. J. Zhang, X. Hu, A. Lunev, J. Deng, emitting devices based on Y. Bilenko, T. M. Katona, M. S. Shur, AlGaN/GaN multi-layered structure, R. Gaska, and M. A. Khan, Jpn. J. Extended Abstracts of the 1992 Appl. Phys., vol. 44, 2005, pp. International Conf. Solid State 7250-7253. Devices and Materials, Aug. 1992, pp. [7]. Y. Bilenko, A. Lunev, X. Hu, J. Deng, 327-329. T. M Katona, J. Zhang, R. Gaska, M. [2]. J.Han, M. H. Crawford, R. J. Shul, J. S. Shur, and A. Khan, Jpn. J. Appl. J. Figiel, M. Banas, L. Zhang, Y. K. Phys., vol 44, 2005, pp. L88-L100. Song, H. Zhou, and A. V. Nurmikko, [8]. Nitride Semiconductor Devices: Appl. Phys. Lett., vol. 73, 1998, pp. Principles and Simulation, Edited by 1688-1670. Joachim Piprek, Wiley-VCH Verlag [3]. V. Adivarahan, W. H. Sun, A. Chitnis, GmbH & Co. KgaA Weinheim, M. Shatalov, S. Wu, H. P. Maruska, ISBN: 978-3-527-40667-8, 2007. and M. A. Kha, Appl. Phys. Lett., vol. [9]. V. F. Mymrin, K. A. Bulashevich, N. 85, 2004, pp. 2175-2177. I. Podolskaya, I. A. Zhamakin, S. Yu. [4]. D. Morita, M. Sano, M. Yamamoto, T. Karpov, and Yu. N. Makarov, Murayama, S. Nagahama, and T. Modelling study of MQW LED Mukai, Jpn. J. Appl. Phys., vol. 41, operation, Phys. Stat. Sol. (2), No. 7, 2002, pp.L1434-L1436. 2005, pp. 2928-2931.