有许多应用需要深紫外辐射源。这些任务的主要来源是汞灯，它有低压或中压两种形式。更有希望的是选择是LED:它更小，更坚固，不需要高电压或使用有毒材料。

阻碍深紫外发光二极管的是其低外部量子效率，这受到载流子注入不良和光提取效率低的限制——简而言之，它面临透明度和导电性的困境。

紫外发光二极管的制造商倾向于利用氮化镓:镁磷层注入空穴来换取导电性和透明度。虽然氮化镓是电性能的良好选择，但它吸收紫外光的特性会影响它的性能。增加p-AlGaN层中的铝摩尔分数可以防止吸收损失，但代价是较高的镁受体电离能，这导致AlGaN:Mg层的电阻率显著增加，进而导致工作电压显著增加。AlGaN:Mg的另一个缺点是，尽管付出了很多努力，欧姆接触仍然难以实现。由于紫外反射金属之间的大功函数失配和p型III族氮化物的高电子亲和力，形成这种接触是具有挑战性的。

当隧道结结合到深紫外发光二极管的p面时，会导致不平衡。通过隧道效应进行空穴注入(见图2和图3)。在正向偏压下工作时，这种器件从铝镓镁价产生电子隧道效应能带进入AlGaN:Si导带。这个过程留下一个自由空穴，注入有源区，参与辐射复合。这种隧道效应的效率可以用隧道效应概率来描述。

一般来说，量子力学隧穿概率，以及总器件电阻率，由隧道势垒的高度和宽度决定。势垒的高度取决于异质结处材料的带隙，而其宽度由空间电荷区决定。我们的研究集中在两个关键因素上:最大化隧道结处的镁和硅掺杂；以及极化场增强隧道结异质结构的引入，其利用了较低的带隙夹层。

我们已经模拟了我们的发光二极管的特性，考虑到一个铝0.7Ga0.3N隧道结(图2显示了零偏置时的能带图)。这些计算包括一个参考结构，其结两侧均质且突变的硅和镁掺杂为1019cm-3–对于这种结构，空间电荷区是32纳米宽。当我们将掺杂水平增加到1020 cm-3时，这个区域的宽度减小到只有10 nm。减小空间电荷区宽度的另一种选择是引入极化场增强的隧道结异质结构GaN夹层。这种修改将空间电荷区的宽度从32纳米缩短到23纳米(见图2 (b))。

图2 零偏压下AlGaN基隧道结的能带图模拟突出了降低隧道势垒宽度的两种机制:(a)重掺杂方法 (b)异质结极化工程方法

在某些限制条件下，不需要在这两个选项之间进行选择，而是将两者结合起来。这带来了巨大的回报，因为空间电荷区的减少带来了隧穿概率的指数级增长，进而显著提升了器件性能。

我们第一个以隧道结为特征的金属有机化学气相沉积生长的发光二极管的制造包括在含镁层生长后的原位热退火步骤，以激活镁受体。通过这一步骤，氢对受体的钝化减少到可以忽略的水平——根据二次离子质谱，氢与镁原子的比例低于10%。器件加工通过台面蚀刻完成，随后同时沉积顶部和底部的V/Al/Ni/Au n金属触点，然后在氮气下对这些触点进行快速热退火，图4 (a)显示了我们加工的隧道结发光二极管的显微图像。

使用紫外增强显微镜照相机，我们绘制了隧道结发光二极管的强度图。我们的手指形发光二极管台面的成像，顶部有一个薄的中央金属触点，显示了整个台面区域的发射(见图6)。均匀发射突出了同质受体激活和通过隧道结的电流注入。如果我们的隧道结发光二极管受到不完全激活或与局部注入问题相关的问题的损害，这将导致没有任何发射的黑暗区域。仔细观察我们的强度图像发现，与中心附近相比，强度略有增强手指边缘。最可能的原因是沿170 m-long LED指的顶部AlGaN:Si层中有限的电流扩散。这可以通过优化发光二极管布局或异质结构设计来解决更厚的顶部AlGaN:Si层，具有更高的导电性。

我们比较了分子束外延法和金属有机化学气相沉积法生长的隧道结发光二极管的器件电阻率与电流密度的关系，使用了不同小组报告的数据(见图8)。我们的图强调了电阻率随电流密度增加而降低的潜在趋势，这种趋势发生在几个数量级上，并且与器件设计和生长方法无关。一个暗示是，对于生长隧道结发光二极管，金属有机化学气相沉积和分子束外延一样好。

图8 不同小组报告的隧道结发光二极管的数据突出表明，随着电流密度的增加，差分器件电阻率(dV/dj)呈一致下降趋势，与发射波长范围无关。隧道结的生长方法和材料组成与这一趋势只有很小的偏差

如图8所示，该图的另一个好处是，它允许在固定电流密度下有小的变化比较单个隧道结发光二极管的特性。当以这种方式观察时，结果突出了Unipress生产的基于InGaN的器件在2 kAcm-2下接近104 cm2的非常低的器件电阻率。

器件电阻率似乎相当独立于隧道结的带隙及其生长方法，但它与波长有关。低电阻率仅在发射超过350纳米的氮化镓和铟镓氮基隧道结发光二极管中实现。当隧道结采用AlGaN时，由于较低的可实现电流密度，它们表现出较高的工作电压以及较高的差分器件电阻率。

我们有几个提高设备性能的想法。计划包括试图通过引入超薄AlGaN:降低工作电压的Mg p层；抑制顶部AlGaN:Si层中的施主补偿，以改善电流扩散；并且通过优化隧道结的掺杂分布以及夹层的成分和厚度进一步降低隧道电阻率。一旦我们在晶圆级展示了高性能隧道结发光二极管，我们的下一步将是芯片制造。这项工作将包括努力提高产量和研究长期可靠性，这可以很容易地通过用于评估紫外线发光二极管的标准技术来完成。

如何提高LED效率的化学气相沉积因素