材料来源：雅时化合物半导体

作者：俄亥俄州立大学的Sheikh IFATUR Rahman、Zane Jamal Eddine、Agnes Xille和Siddharth Rajan以及Lumiled的Rob Armitage

切换到一种p-down架构使得绿色LED产生了接近理论值的工作电压

自1989年的发明以来，GaN基LED已经走过了非常长的一段路。这款器件最初发出蓝光，其一旦与荧光粉结合，就会发出白色光，这是它的第一个杀手级应用，它对手机的键盘和屏幕进行了背光照明。随后，在电视、笔记本电脑和平板电脑的大屏幕背光方面取得了进一步的成功；而今天，由于该器件在普通照明、运输和园艺方面的部署，销售量甚至更加可观。而这可能还不是终点，因为该器件现在正显示出在微型LED显示器方面的前景。

然而，尽管取得了所有这些巨大而多种多样的成功，但仍有一些弱点需要去解决。虽然紫色和蓝色发射器的效率现在非常出色，但这一关键品质因数在更长的波长下直线下降。问题是，当工程师通过增加InGaN量子阱中In的摩尔分数将发射波长延长到500 nm或更多时，他们会遇到几个挑战，所有这些都会导致器件性能下降和电光效率下降。

偏振对LED有何影响？

InN, GaN和AlN都是III族氮化物纤锌矿材料的例子，它们是热释电材料，显示自发极化和压电极化。由于这些特性，由不同合金组成的III -氮化物形成的异质结构在它们的界面处具有固有的大自发和压电极化偶极子。当这些材料形成薄的三明治层状结构时，比如量子阱，就会在阱内产生大的电场，在阱外产生损耗区。

为了能够发射波长超过500 nm（绿色光谱领域的主峰波长）的光，量子阱中的平均In组分必须超过20%。加入这么多或者更多的In会增加量子阱内的电场强度，影响这些发光层中自由载流子的分布和寿命。较高的电场会降低InGaN/GaN光电子器件的性能，增加其工作电压。

在传统的LED中，通过首先生长n型区域，然后是有源区，然后是p型区域所形成的这种结构可以简称为p-up LED，其极化薄层电荷与跨越p-n结的耗尽区场相反。这会导致更高的静电势垒，从而阻碍电子和空穴的注入，最终导致更高的正向电压降(见图1(a))。

一种有趣的替代结构是通过颠倒p-n结的相对方向来形成的。这是通过将p层放置在有源区下方而不是放在有源区上方来实现的。有了这种几何结构，偏振场将不再与耗尽势垒场相对立。相反，这些相一致的场是有益的，有助于降低电子和空穴向有源区的注入势垒(见图1(b))。

对于需要实现更长波长发射的富In阱，例如绿色阱，这种载流子辅助效应特别强。根据模拟结果，注入势垒显著降低，这导致p-down LED的正向打开电压与传统的类似的LED产品相比大幅降低(见图1 (c))。

△ 图1. (a)、(b) p-up和p-down构型的平衡能带图，显示了与p-up变体相比，p-down设计的低空穴注入势垒；与p-up相比，p-down的内置电子势垒更高，改善了量子阱中电子的限制。(c) p-up和p-down LED结构的模拟电流密度-电压（J-V）曲线。

我们为什么需要隧道结？

有两种选择来反转p-n结和极化的相对取向。一种是保持传统的p-up结构，但改变衬底，沿着纤锌矿晶体结构的-c或N-极性方向生长。另一种方法是沿着+c或 Ga极性方向，在有源区以下的p型区域生长p-n结。

我们在俄亥俄州立大学和Lumileds之间的合作已经对这些方法进行了多年的评估。2012年，我们取得了新的突破，首次展示了N极绿色LED。这项工作说明了反转极化的好处，如较低的开启电压和减少的溢出。但我们发现N极取向并不是万能的——它可能会带来与更高的点缺陷掺入相关的挑战，从而会降低内部量子效率。

最好是制造具有与p-n二极管相同的偏振方向，但沿Ga-极方向生长的LED。对于这种特殊的设计，令人担忧的是，由于p层位于底部，p层的扩散阻力可能导致电流集聚。

康奈尔大学的一个团队已经解决了这个问题，他们在p层下面插入了一个隧道结。然而，这些p-down绿色LED的工作电压明显高于传统的LED结构。

我们在这种方法上取得了更大的成功。这使得我们第一次展示了高效的隧道结可以集成到p-down LED中，以产生极低工作电压的绿色发射源。

我们是如何证明这个结果的？

我们新型LED的制造始于通过等离子体辅助MBE生长外延结构(见图2)。对于我们的新型LED，我们更喜欢MBE这种生长技术而不是MOCVD：它可以实现陡峭的掺杂分布以及镁和硅的高掺杂密度，这些都是良好的同质结隧道结所必需的。

我们相信，工作电压的降低将对采用更长波长发射器的未来显示器和照明应用产生重大影响。更重要的是，切换到LED上方的n型区域可能会获得与其他电子器件(如肖特基二极管和晶体管)的更高级别集成相关的几个好处。

△ 图2. (a)使用底部隧道结的p-down LED的平衡能带图。(b)已完成/已加工的器件。

我们在晶圆上的测量清楚地显示了反向极化的好处。当驱动电流密度为20 A cm-2和100 A cm-2时，我们的LED的正向电压分别只有2.42 V和2.75 V(参见图3这些器件电流密度对电压的依赖关系图)。

△ 图3. (a)具有不同器件面积(线性比例)的p-down隧道结(TJ)LED的电特性。用于提取开启电压的拟合线(黑色)显示在线性曲线图中。(b)TJ-LED在低电流密度到高电流密度下的在片电致发光光谱。(c)电致发光峰位移图显示了电流密度从23A cm-2到943A cm-2的峰位移。插图(c)显示了运行中的器件的光学显微照片。

晶片上的LED测量装置

在可检测到发射的最低电流密度(23A cm-2)下，峰值电致发光波长为548 nm，对应的光子能量为2.27 eV。随着电流密度的增加，由于能带填充和极化电荷屏蔽效应的影响，发射波长向518 nm移动。

为了分析注入引起的电压损失，我们绘制了工作电压与光子能量的函数关系图。这表明我们的LED的工作电压非常接近它们的光子能量。当我们将这一观察结果与文献中以前对绿色LED的描述进行比较时(参见图4)，我们发现我们的值明显低于先前报告的值。因此，我们得出结论，反转极化产生的势垒降低效应显著降低了LED的开启电压。

△ 图4. 基准图显示了III-氮化物LED从蓝色到黄色在20 A cm-2或35 A cm-2处的正向电压降。红线表示最低理论电压降，Vf=hʋ/q，其中hʋ是光子能量，Vf是正向电压。

虽然我们的LED的绝对外部量子效率很低，这可能是由于MBE生长条件对阱的内部量子效率的影响，但我们的工作仍然是一个重要的突破——对于开启电压降低的测量提供了令人信服的证据，证明引入反极性p-down架构后改善了载流子注入，从而降低了其工作电压。我们相信，工作电压的降低将对采用更长波长发射器的未来显示器和照明应用产生重大影响。更重要的是，切换到LED上方的n型区域可以进一步获得与其他电子器件(如肖特基二极管和晶体管)的更高级别集成相关的几个好处。我们认为，我们的基于隧道的高效p-down LED的设计和演示为探索其他设计提供了一个框架，包括更长波长的LED和新颖的多有源区LED。

进一步阅读

F.Akyol et al. “Suppression of electron overflow and efficiency droop in N-polar GaN green light emitting diodes Appl. Phys.Lett.100111118 (2012)

F.Akyol et al.“Low-resistance GaN tunnel homojunctions with 150 kA/cm2 current and repeatable negative differential resistanceAppl. Phys.Lett,108 131103 (2016)

S.l. Rahman et al. “III-Nitride p-down green (520 nm) light emitting diodes with near-ideal voltage drop” Appl. Phys.Lett. 121021102 (2022)

H Turski et al.“Polarization control in nitride quantum well light emitters enabled by bottom tunnel-junctions J.Appl.Phys. 125203104 (2019)