《Journal of Luminescence》：Dual tunnel junction engineering for high-IQE GaN/InGaN green LEDs
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本文提出了一种基于双隧结（TJ）的GaInN绿LED结构，通过顶部和底部集成重掺杂的p++和n++ GaN层，有效抑制极化效应，提升载流子浓度（电子37%，空穴5.45%），内量子效率达75%，效率 droop 降低37%，发射强度增强1.5倍，优于传统设计。
阿尼斯·纳维德（Anis Naveed）| 穆罕默德·乌斯曼（Muhammad Usman）| 贾姆沙德·巴希尔（Jamshad Bashir）| 阿努达·比比（Anuda Bibi）
巴基斯坦托皮（Topi）的古拉姆·伊萨克·汗工程科学与技术学院（Ghulam Ishaq Khan Institute of Engineering Sciences and Technology, GIKI）基础科学系
摘要
在这项数值研究中，我们提出了一种基于双隧道结（TJ）的GaN/InGaN绿光二极管（LED）结构，旨在增强载流子的限制并减轻极化引起的电场。通过在活性区域的两侧集成隧道结，与参考LED相比，该器件在载流子浓度上实现了显著提升——电子浓度提高了37%，空穴浓度提高了5.45%。因此，内部量子效率（IQE）提高到了75%，超过了传统设计中的54%。此外，在50 A/cm2的电流密度下，该LED的效率下降幅度仅为37%，而参考器件的效率下降幅度为5%。发射强度也提高了约1.5倍，这验证了双隧道结配置在实现高效绿光LED性能方面的有效性。
引言
现代光电子学得益于由III族氮化物半导体制成的发光二极管。这些二极管具有可调的（取决于组成的）直接带隙，覆盖从红外到深紫外的范围，使其成为宽光谱范围内光产生的理想选择[1]。由于具有高内部效率、优异的化学和热稳定性以及长使用寿命，这些材料已成为高效且环保的光源基础[2]。因此，III族氮化物LED现在被广泛应用于照明、显示背光、光通信以及紫外线杀菌和传感领域。绿光LED在全彩色显示技术、可见光通信系统、生物成像以及环境或医学传感中发挥着关键作用，因为它们的波长与人眼和许多生物材料的峰值敏感度相匹配[[3], [4], [5]]。基于GaN的蓝光LED在优化条件下可实现超过90%的内部量子效率[6]。相比之下，发射绿光的半导体器件存在严重的性能下降问题，通常称为“绿色间隙”。这一问题源于发射绿光所需的大量铟成分，这会增加晶格失配并产生更高密度的 threading dislocations[7]。这些缺陷会导致非辐射复合，从而降低整体效率。为了解决这个问题，研究人员探索了多种设计策略，包括优化量子阱和势垒的形状、应变管理以及修改电子阻挡层[8,9]。III族氮化物LED的另一个关键问题是p型GaN层具有高电阻。这是因为Mg（p型掺杂剂）原子具有较大的激活能，导致空穴浓度受限。透明导电氧化物（ITO和ZnO?）常被用作电流扩散层以提高均匀性和导电性。然而，这些层会吸收部分发射光，从而降低光学效率[10,11]。为了克服这一限制，人们提出了基于金属的反射接触和倒装芯片架构，以同时提高光提取效率和电流扩散能力。值得注意的是，集成在GaN倒装芯片LED中的银基反射器在蓝光波长下展示了高达95%的反射率，并显著改善了电流均匀性，从而在高注入电流下实现了更高的外部量子效率，优于传统的ITO/分布式布拉格反射器结构[12,13]。
一种实用的方法是使用隧道结[14]。隧道结由高掺杂的p?和n?层组成，在反向偏压下工作。在这种配置中，电子可以通过隧穿机制从p?侧的价带（E?）隧穿到n?侧的导带（Ec）中，如图1所示。隧穿概率随掺杂浓度的增加而增加，随带隙的增加而减小[15]。
在多个光谱区域和器件设计中已经报道了III-V族LED中的隧道结[15], [16], [17]。这一概念也成功应用于微LED和紫外LED，观察到了电流注入的改善、串联电阻的降低以及光学性能的提高[18,19]。最近的一项研究使用GaN隧道结接触实现了低效率下降、高效率的绿光LED，其中TJ设计在效率和电流处理方面均优于传统的氧化铟锡（ITO）接触[20]。另一项研究采用了底部隧道结配置的GaN/InGaN绿光LED，并报告了载流子限制的改善、辐射复合的增强以及效率下降的减少。据我们所知，尚未有关于GaN/InGaN中顶部-底部双隧道结的报道[21]。
在这项工作中，我们探讨了在GaN/InGaN绿光LED中引入双隧道结的效果。该设计在多量子阱区域的顶部和底部集成了同质结p++GaN/n++GaN TJs。这种配置增强了载流子的限制，平化了能带，并提高了辐射复合效率。仿真结果显示，与传统器件相比，所提出的双结LED实现了更高的内部量子效率和更强的峰值发射，尽管观察到了较高的开启电压惩罚。研究人员已经通过MOCVD或MBE外延生长展示了隧道结的制备[22]。
设备结构
本研究使用了SiLENSe? 2024.1版本来研究隧道结集成对LED性能的影响。图2(a)示意性地展示了参考LED结构（称为LED-A）。该参考器件受到实验研究的启发[23]，是在沿Ga极性[0001]方向取向的蓝宝石（Al?O?）衬底上外延生长的。
仿真结果与讨论
使用了一维自洽漂移扩散模型来研究LED-A和LED-B的光电特性，该模型考虑了极化、载流子传输、复合和量子限制效应[28,29]。
由于电荷和净极化引起的任何点的静电势由以下公式确定：
