最新成果展示：MIS结构电极物理模型的开发及应用

AlGaN基深紫外LED中高Al组分n-AlGaN材料的掺杂效率较低，导致深紫外LED具有较大的n电极接触电阻。尤其当深紫外LED处于正偏状态时，n电极金属/n-AlGaN处于反偏，随着外加电压增加，n电极的表面耗尽效应加剧，阻碍了电子注入。n电极处产生的较大的接触电阻不仅会降低AlGaN基深紫外LED的电光转化效率（wall-plug efficiency，WPE），同时还会增加器件局部热效应，导致严重的热衰退（thermal droop）现象。

根据我司技术团队前期关于MIS结构的相关仿真结果可知，MIS型n电极结构可以有效地提高电子的注入效率，降低n电极处的接触电阻^[1]。此外，SiO₂材料因其较小的介电常数，不仅可以提高隧穿区域的电场，增加电子的隧穿几率，同时还可以借助SiO₂绝缘层承担更多电压，减小半导体表面的耗尽效应，促进电子的注入效率^[2]。如图1（a）所示，我司技术团队制备的具有MIS型n电极结构的AlGaN基深紫外LED采用SiO₂绝缘层作为MIS结构的中间层^[3]。图1（b）和（c）分别展示了仿真计算获得的两种n电极结构的能带图。对于传统n电极结构，由于半导体和金属材料之间的亲和势差，半导体中会产生表面耗尽效应。如图1（b）所示，金属与半导体接触界面存在一个高达772 meV的肖特基势垒，严重阻碍了电子的注入。而如图1（c）所示，当采用MIS型n电极结构时，绝缘层形成的倾斜的能带可以调节金属和半导体之间的亲和势差，从而屏蔽金属和半导体界面处的肖特基势垒，同时电子可以通过高效的带内隧穿过程注入到器件中。此外，MIS结构中的绝缘层也会承担部分压降，从而削弱半导体的表面耗尽效应，提高电子的注入效率。

 

图1.（a）具有MIS型n电极结构的AlGaN基深紫外LED的结构图；（b）传统的n电极结构的能带图；（c）MIS型n电极结构的能带图

如图2所示，相比于传统深紫外LED（Device R）而言，具有MIS型n电极结构的深紫外LED（Device A）拥有更小的工作电压，这意味着Device A的n电极的接触电阻更小，电子注入能力更强。n电极区域电子注入能力的提升可以有效地提高有源区内捕获的电子浓度，进而提高Device A的辐射复合率。因此，Device A具有更高的外量子效率（EQE）和光输出功率，并且电光转换效率也得到改善（如图2中插图所示）。

  

图2. Device R和Device A的电流-电压特性曲线、EQE和光功率；插图展示了两种器件的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).