Achieving 9.6% efficiency in 304 nm p-AlGaN UVB LED via increasing the holes injection and light reflectance

发光二极管 材料科学 光电子学 量子效率 紫外线 量子隧道 二极管 薄脆饼 量子阱 带隙 半导体 光学 复合材料 激光器 物理
作者
M. Ajmal Khan,Noritoshi Maeda,Joosun Yun,Masafumi Jo,Yoichi Yamada,Hideki Hasegawa
出处
期刊:Scientific Reports [Nature Portfolio]
卷期号:12 (1) 被引量:42
标识
DOI:10.1038/s41598-022-04876-x
摘要

Crystal growth of eco-friendly, ultrawide bandgap aluminium gallium nitride (AlGaN) semiconductor-based ultraviolet-B (UVB) light-emitting diodes (LEDs) hold the potential to replace toxic mercury-based ultraviolet lamps. One of the major drawbacks in the utilisation of AlGaN-based UVB LEDs is their low efficiency of about 6.5%. The study investigates the influence of Al-graded p-type multi-quantum-barrier electron-blocking-layer (Al-grad p-MQB EBL) and Al-graded p-AlGaN hole source layer (HSL) on the generation and injection of 3D holes in the active region. Using the new UVB LED design, a significant improvement in the experimental efficiency and light output power of about 8.2% and 36 mW is noticed. This is accomplished by the transparent nature of Al-graded Mg-doped p-AlGaN HSL for 3D holes generation and p-MQB EBL structure for holes transport toward multi-quantum-wells via intra-band tunnelling. Based on both the numerical and experimental studies, the influence of sub-nanometre scale Ni film deposited underneath the 200 nm-thick Al-film p-electrode on the optical reflectance in UVB LED is investigated. A remarkable improvement in the efficiency of up to 9.6% and light output power of 40 mW, even in the absence of standard package, flip-chip, and resin-like lenses, is achieved on bare-wafer under continuous-wave operation at room temperature. The enhanced performance is attributed to the use of Al-graded p-MQB EBL coupled with softly polarised p-AlGaN HSL and the highly reflective 0.4 nm-thick Ni and 200 nm-thick Al p-electrode in the UVB LED. This research study provides a new avenue to improve the performance of high-power p-AlGaN-based UVB LEDs and other optoelectronic devices in III-V semiconductors.
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