← 返回
电动汽车驱动 GaN器件 ★ 5.0

通过V型多量子阱缓解AlGaN基深紫外LED中载流子输运的不对称性

Alleviated Asymmetry in Carrier Transport With V-Shaped Multiple Quantum Wells in AlGaN-Based DUV LEDs

作者 Ying Qi · Hang Zhou · Mengran Liu · Chao Liu
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年3月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 GaN器件
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 深紫外发光二极管 V形多量子阱 载流子分布 外量子效率 电子溢出抑制
语言:

中文摘要

基于AlGaN的深紫外发光二极管(DUV LED)由于严重的电子泄漏和空穴阻挡效应,仍然存在光输出功率(LOP)相对较低和外量子效率(EQE)较差的问题。由于量子势垒(QB)的限制能力较弱,电子倾向于在最后一个量子阱(LQW)中积累并从有源区逃逸。此外,最后一个量子势垒(LQB)/p型电子阻挡层(p - EBL)界面处的极化诱导正电荷会吸引电子并消耗空穴进行非辐射复合,导致有源区载流子浓度不足。在本文中,我们提出采用V形多量子阱(MQW)的DUV LED来调节有源区载流子的分布。采用V形多量子阱后,载流子倾向于在中间量子阱(QW)中积累,而非最后一个量子阱,并且中间量子阱中的极化诱导电场也得到了很好的缓解,有助于提高辐射复合率。此外,LQB/p - EBL界面处原本的正电荷面密度转化为负电荷面密度,这有利于抑制电子溢出并提高空穴注入效率。因此,在150 A/cm²的注入电流下,外量子效率显著提高了48.1%。V形多量子阱为实现高性能的DUV LED提供了一种有效的解决方案。

English Abstract

AlGaN-based deep-ultraviolet light-emitting diodes (DUV LEDs) still suffer from relatively low light output power (LOP) and poor external quantum efficiency (EQE) due to the severe electron leakage and hole-blocking effects. Electrons tend to accumulate in the last quantum well (LQW) and escape from the active region because of the weak confinement ability of the quantum barriers (QBs). Besides, the polarization-induced positive charges at the last QB (LQB)/p-type electron blocking layer (p-EBL) interface will attract electrons and consume holes for nonradiative recombination, leading to inadequate carrier concentration in the active region. In this article, we propose DUV LEDs with V-shaped multiple quantum wells (MQWs) to modulate the distribution of carriers in the active region. With the V-shaped MQWs, carriers are inclined to accumulate in the middle quantum well (QW) instead of the last one, and the polarization-induced electric field in the middle QW is also well alleviated, contributing to improved radiative recombination rates. Furthermore, the original positive sheet charges at the LQB/p-EBL interface are converted into negative ones, which is beneficial for suppressing electron overflow and increasing hole injection efficiency. Therefore, the EQE is remarkably improved by 48.1% at an injection current of 150 A/cm2. The V-shaped MQWs provide an effective solution to realize DUV LEDs with high performance.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项AlGaN基深紫外LED技术虽然属于半导体光电领域,但其底层的载流子输运优化理念与我们在功率电子器件设计中面临的挑战存在技术共性。

该研究通过V型多量子阱结构显著改善了载流子分布不均和电子泄漏问题,将外量子效率提升48.1%。这种通过能带工程调控载流子行为的思路,对阳光电源在SiC、GaN等宽禁带半导体功率器件的应用具有借鉴意义。在我们的光伏逆变器和储能变流器产品中,功率器件的载流子传输效率直接影响系统转换效率和热管理性能。论文中通过极化电场调控实现的载流子再分配机制,可为我们优化IGBT、MOSFET等器件的结构设计提供新思路。

从应用前景看,深紫外LED技术本身在光伏组件的自清洁、消毒杀菌等场景存在潜在结合点。随着分布式光伏和户用储能系统的普及,集成紫外自清洁功能可降低组件维护成本,提升发电效率。然而,当前DUV LED的成本和可靠性仍是制约因素,技术成熟度尚处于实验室向产业化过渡阶段。

对阳光电源而言,更直接的价值在于跨领域的技术方法论迁移。建议我们的功率半导体研发团队关注其载流子动力学建模和能带结构优化方法,特别是在高压大功率场景下如何通过结构创新抑制载流子泄漏、提升器件效率。这种基础研究与工程应用的结合,将有助于巩固我们在新能源电力电子技术领域的领先地位。