MIS結(jié)構(gòu)電極物理模型的開發(fā)及應(yīng)用

　　AlGaN基深紫外LED中高Al組分n-AlGaN材料的摻雜效率較低，導(dǎo)致深紫外LED具有較大的n電極接觸電阻。尤其當(dāng)深紫外LED處于正偏狀態(tài)時(shí)，n電極金屬/n-AlGaN處于反偏，隨著外加電壓增加，n電極的表面耗盡效應(yīng)加劇，阻礙了電子注入。n電極處產(chǎn)生的較大的接觸電阻不僅會(huì)降低AlGaN基深紫外LED的電光轉(zhuǎn)化效率（wall-plug efficiency，WPE），同時(shí)還會(huì)增加器件局部熱效應(yīng)，導(dǎo)致嚴(yán)重的熱衰退（thermal droop）現(xiàn)象。

　　根據(jù)我司技術(shù)團(tuán)隊(duì)前期關(guān)于MIS結(jié)構(gòu)的相關(guān)仿真結(jié)果可知，MIS型n電極結(jié)構(gòu)可以有效地提高電子的注入效率，降低n電極處的接觸電阻[1]。此外，SiO2材料因其較小的介電常數(shù)，不僅可以提高隧穿區(qū)域的電場，增加電子的隧穿幾率，同時(shí)還可以借助SiO2絕緣層承擔(dān)更多電壓，減小半導(dǎo)體表面的耗盡效應(yīng)，促進(jìn)電子的注入效率[2]。如圖1（a）所示，我司技術(shù)團(tuán)隊(duì)制備的具有MIS型n電極結(jié)構(gòu)的AlGaN基深紫外LED采用SiO2絕緣層作為MIS結(jié)構(gòu)的中間層[3]。圖1（b）和（c）分別展示了仿真計(jì)算獲得的兩種n電極結(jié)構(gòu)的能帶圖。對(duì)于傳統(tǒng)n電極結(jié)構(gòu)，由于半導(dǎo)體和金屬材料之間的親和勢(shì)差，半導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生表面耗盡效應(yīng)。如圖1（b）所示，金屬與半導(dǎo)體接觸界面存在一個(gè)高達(dá)772 meV的肖特基勢(shì)壘，嚴(yán)重阻礙了電子的注入。而如圖1（c）所示，當(dāng)采用MIS型n電極結(jié)構(gòu)時(shí)，絕緣層形成的傾斜的能帶可以調(diào)節(jié)金屬和半導(dǎo)體之間的親和勢(shì)差，從而屏蔽金屬和半導(dǎo)體界面處的肖特基勢(shì)壘，同時(shí)電子可以通過高效的帶內(nèi)隧穿過程注入到器件中。此外，MIS結(jié)構(gòu)中的絕緣層也會(huì)承擔(dān)部分壓降，從而削弱半導(dǎo)體的表面耗盡效應(yīng)，提高電子的注入效率。

　　圖1.（a）具有MIS型n電極結(jié)構(gòu)的AlGaN基深紫外LED的結(jié)構(gòu)圖；（b）傳統(tǒng)的n電極結(jié)構(gòu)的能帶圖；（c）MIS型n電極結(jié)構(gòu)的能帶圖

　　如圖2所示，相比于傳統(tǒng)深紫外LED（Device R）而言，具有MIS型n電極結(jié)構(gòu)的深紫外LED（Device A）擁有更小的工作電壓，這意味著Device A的n電極的接觸電阻更小，電子注入能力更強(qiáng)。n電極區(qū)域電子注入能力的提升可以有效地提高有源區(qū)內(nèi)捕獲的電子濃度，進(jìn)而提高Device A的輻射復(fù)合率。因此，Device A具有更高的外量子效率（EQE）和光輸出功率，并且電光轉(zhuǎn)換效率也得到改善（如圖2中插圖所示）。

　　圖2. Device R和Device A的電流-電壓特性曲線、EQE和光功率；插圖展示了兩種器件的WPE

　　Reference:

　　[1] H. Shao, et al., Superlattices and Microstructures140, 106467 (2020).

　　[2] H. Shao, et al., IEEE Transactions on Electron Devices 67 (9), 3548 (2020).

　　[3] H. Shao, et al., Applied Optics 60 (36), 11222-11226 (2021).
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