We report on the demonstration of high-performance tunnel junction deep ultraviolet (UV) light-emitting diodes (LEDs) by using plasma-assisted molecular beam epitaxy. The device heterostructure was grown under slightly Ga-rich conditions to promote the formation of nanoscale clusters in the active region. The device operates at ∼255 nm with a maximum external quantum efficiency of 7.2% and wall-plug of 4%, which are nearly one to two orders of magnitude higher than those of previously reported tunnel junction devices operating at this wavelength. The devices exhibit highly stable emission, with a nearly constant emission peak with increasing current, due to the strong charge carrier confinement related to the presence of Ga-rich nanoclusters. Efficiency droop, however, is observed at relatively low current densities. Detailed temperature-dependent measurements suggest that the presence of efficiency droop of deep UV LEDs is largely due to electron overflow.
References
1.
V. M.
Gomez-Lopez
, P.
Ragaert
, J.
Debevere
, and F.
Devlieghere
, Trends Food Sci. Technol.
18
(9
), 464
–473
(2007
).2.
T.
Dai
, M. S.
Vrahas
, C. K.
Murray
, and M. R.
Hamblin
, Expert Rev. Anti-Infect. Ther.
10
(2
), 185
–195
(2012
).3.
M.
Buonanno
, D.
Welch
, I.
Shuryak
, and D. J.
Brenner
, Sci. Rep.
10
(1
), 10285
(2020
).4.
5.
T.
Takano
, T.
Mino
, J.
Sakai
, N.
Noguchi
, K.
Tsubaki
, and H.
Hirayama
, Appl. Phys. Express
10
(3
), 031002
(2017
).6.
A.
Pandey
, W. J.
Shin
, J.
Gim
, R.
Hovden
, and Z.
Mi
, Photonics Res.
8
(3
), 331
–337
(2020
).7.
V.
Adivarahan
, W. H.
Sun
, A.
Chitnis
, M.
Shatalov
, S.
Wu
, H.
Maruska
, and M. A.
Khan
, Appl. Phys. Lett.
85
(12
), 2175
–2177
(2004
).8.
C.
Pernot
, S.
Fukahori
, T.
Inazu
, T.
Fujita
, M.
Kim
, Y.
Nagasawa
, A.
Hirano
, M.
Ippommatsu
, M.
Iwaya
, and S.
Kamiyama
, Phys. Status Solidi A
208
(7
), 1594
–1596
(2011
).9.
A.
Fujioka
, K.
Asada
, H.
Yamada
, T.
Ohtsuka
, T.
Ogawa
, T.
Kosugi
, D.
Kishikawa
, and T.
Mukai
, Semicond. Sci. Technol.
29
(8
), 084005
(2014
).10.
C.
Pernot
, M.
Kim
, S.
Fukahori
, T.
Inazu
, T.
Fujita
, Y.
Nagasawa
, A.
Hirano
, M.
Ippommatsu
, M.
Iwaya
, and S.
Kamiyama
, Appl. Phys. Express
3
(6
), 061004
(2010
).11.
H.
Hirayama
, T.
Yatabe
, N.
Noguchi
, T.
Ohashi
, and N.
Kamata
, Appl. Phys. Lett.
91
(7
), 071901
(2007
).12.
M.
Ichikawa
, A.
Fujioka
, T.
Kosugi
, S.
Endo
, H.
Sagawa
, H.
Tamaki
, T.
Mukai
, M.
Uomoto
, and T.
Shimatsu
, Appl. Phys. Express
9
(7
), 072101
(2016
).13.
C.
Stampfl
and C.
Van de Walle
, Phys. Rev. B
65
(15
), 155212
(2002
).14.
M.
Nakarmi
, N.
Nepal
, C.
Ugolini
, T.
Altahtamouni
, J.
Lin
, and H.
Jiang
, Appl. Phys. Lett.
89
(15
), 152120
(2006
).15.
J. L.
Lyons
, A.
Janotti
, and C. G.
Van de Walle
, Phys. Rev. Lett.
108
(15
), 156403
(2012
).16.
A.
Pandey
, X.
Liu
, Z.
Deng
, W.
Shin
, D.
Laleyan
, K.
Mashooq
, E.
Reid
, E.
Kioupakis
, P.
Bhattacharya
, and Z.
Mi
, Phys. Rev. Mater.
3
(5
), 053401
(2019
).17.
Y.-H.
Liang
and E.
Towe
, Appl. Phys. Rev.
5
(1
), 011107
(2018
).18.
G.-B.
Lin
, D.
Meyaard
, J.
Cho
, E. F.
Schubert
, H.
Shim
, and C.
Sone
, Appl. Phys. Lett.
100
(16
), 161106
(2012
).19.
D. S.
Meyaard
, G.-B.
Lin
, Q.
Shan
, J.
Cho
, E. F.
Schubert
, H.
Shim
, M.-H.
Kim
, and C.
Sone
, Appl. Phys. Lett.
99
(25
), 251115
(2011
).20.
X.
Hai
, R.
Rashid
, S.
Sadaf
, Z.
Mi
, and S.
Zhao
, Appl. Phys. Lett.
114
(10
), 101104
(2019
).21.
W.
Sun
, M.
Shatalov
, J.
Deng
, X.
Hu
, J.
Yang
, A.
Lunev
, Y.
Bilenko
, M.
Shur
, and R.
Gaska
, Appl. Phys. Lett.
96
(6
), 061102
(2010
).22.
J.
Piprek
, Phys. Status Solidi A
207
(10
), 2217
–2225
(2010
).23.
J.
Cho
, E. F.
Schubert
, and J. K.
Kim
, Laser Photonics Rev.
7
(3
), 408
–421
(2013
).24.
J.
Iveland
, L.
Martinelli
, J.
Peretti
, J. S.
Speck
, and C.
Weisbuch
, Phys. Rev. Lett.
110
(17
), 177406
(2013
).25.
F.
Nippert
, M.
Tollabi Mazraehno
, M. J.
Davies
, M. P.
Hoffmann
, H.-J.
Lugauer
, T.
Kure
, M.
Kneissl
, A.
Hoffmann
, and M. R.
Wagner
, Appl. Phys. Lett.
113
(7
), 071107
(2018
).26.
C.
Frankerl
, F.
Nippert
, A.
Gomez-Iglesias
, M. P.
Hoffmann
, C.
Brandl
, H.-J.
Lugauer
, R.
Zeisel
, A.
Hoffmann
, and M. J.
Davies
, Appl. Phys. Lett.
117
(10
), 102107
(2020
).27.
J.
Mickevičius
, G.
Tamulaitis
, M.
Shur
, M.
Shatalov
, J.
Yang
, and R.
Gaska
, Appl. Phys. Lett.
101
(21
), 211902
(2012
).28.
J.
Mickevičius
, G.
Tamulaitis
, M.
Shur
, M.
Shatalov
, J.
Yang
, and R.
Gaska
, Appl. Phys. Lett.
103
(1
), 011906
(2013
).29.
J.
Yun
, J.-I.
Shim
, and H.
Hirayama
, Appl. Phys. Express
8
(2
), 022104
(2015
).30.
C.
Kuhn
, L.
Sulmoni
, M.
Guttmann
, J.
Glaab
, N.
Susilo
, T.
Wernicke
, M.
Weyers
, and M.
Kneissl
, Photonics Res.
7
(5
), B7
–B11
(2019
).31.
Y.
Zhang
, Z.
Jamal-Eddine
, F.
Akyol
, S.
Bajaj
, J. M.
Johnson
, G.
Calderon
, A. A.
Allerman
, M. W.
Moseley
, A. M.
Armstrong
, and J.
Hwang
, Appl. Phys. Lett.
112
(7
), 071107
(2018
).32.
Y.
Zhang
, S.
Krishnamoorthy
, F.
Akyol
, S.
Bajaj
, A. A.
Allerman
, M. W.
Moseley
, A. M.
Armstrong
, and S.
Rajan
, Appl. Phys. Lett.
110
(20
), 201102
(2017
).33.
Y.
Zhang
, S.
Krishnamoorthy
, F.
Akyol
, J. M.
Johnson
, A. A.
Allerman
, M. W.
Moseley
, A. M.
Armstrong
, J.
Hwang
, and S.
Rajan
, Appl. Phys. Lett.
111
(5
), 051104
(2017
).34.
S.
Zhao
, S.
Sadaf
, S.
Vanka
, Y.
Wang
, R.
Rashid
, and Z.
Mi
, Appl. Phys. Lett.
109
(20
), 201106
(2016
).35.
S.
Sadaf
, S.
Zhao
, Y.
Wu
, Y.-H.
Ra
, X.
Liu
, S.
Vanka
, and Z.
Mi
, Nano Lett.
17
(2
), 1212
–1218
(2017
).36.
S.
Bharadwaj
, K.
Lee
, S.
Islam
, V.
Protasenko
, H. G.
Xing
, and D.
Jena
, “Tunnel-junction p-contact sub-250 nm deep-UV LEDs,” in 2017 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO), San Jose, CA, 2017, pp. 1–2.37.
H.
Hirayama
, N.
Maeda
, S.
Fujikawa
, S.
Toyoda
, and N.
Kamata
, Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
53
(10
), 100209
(2014
).38.
Y.
Zhang
, S.
Krishnamoorthy
, F.
Akyol
, A. A.
Allerman
, M. W.
Moseley
, A. M.
Armstrong
, and S.
Rajan
, Appl. Phys. Lett.
109
(19
), 191105
(2016
).39.
M.
Auf der Maur
, B.
Galler
, I.
Pietzonka
, M.
Strassburg
, H.
Lugauer
, and A.
Di Carlo
, Appl. Phys. Lett.
105
(13
), 133504
(2014
).40.
L.
Sang
, M.
Liao
, N.
Ikeda
, Y.
Koide
, and M.
Sumiya
, Appl. Phys. Lett.
99
(16
), 161109
(2011
).41.
E. C.
Young
, B. P.
Yonkee
, F.
Wu
, S. H.
Oh
, S. P.
DenBaars
, S.
Nakamura
, and J. S.
Speck
, Appl. Phys. Express
9
(2
), 022102
(2016
).42.
E.
Vadiee
, E. A.
Clinton
, H.
McFavilen
, A. S.
Weidenbach
, Z.
Engel
, C.
Matthews
, C.
Zhang
, C.
Arena
, R. R.
King
, and C. B.
Honsberg
, Appl. Phys. Express
11
(8
), 082304
(2018
).43.
Y.
Wu
, D. A.
Laleyan
, Z.
Deng
, C.
Ahn
, A. F.
Aiello
, A.
Pandey
, X.
Liu
, P.
Wang
, K.
Sun
, and E.
Ahmadi
, Adv. Electron. Mater.
6
(9
), 2000337
(2020
).44.
N. H.
Tran
, B. H.
Le
, S.
Zhao
, and Z.
Mi
, Appl. Phys. Lett.
110
(3
), 032102
(2017
).45.
S.
Zhao
, S.
Woo
, M.
Bugnet
, X.
Liu
, J.
Kang
, G.
Botton
, and Z.
Mi
, Nano Lett.
15
(12
), 7801
–7807
(2015
).46.
S.
Zhao
, S.
Woo
, S.
Sadaf
, Y.
Wu
, A.
Pofelski
, D.
Laleyan
, R.
Rashid
, Y.
Wang
, G.
Botton
, and Z.
Mi
, APL Mater.
4
(8
), 086115
(2016
).47.
Y.
Liao
, C.
Thomidis
, C.-K.
Kao
, and T. D.
Moustakas
, Appl. Phys. Lett.
98
(8
), 081110
(2011
).48.
T. D.
Moustakas
and A.
Bhattacharyya
, Phys. Status Solidi C
9
(3–4
), 580
–583
(2012
).49.
A.
Bhattacharyya
, T.
Moustakas
, L.
Zhou
, D. J.
Smith
, and W.
Hug
, Appl. Phys. Lett.
94
(18
), 181907
(2009
).50.
T. D.
Moustakas
, MRS Commun.
6
(3
), 247
–269
(2016
).51.
V. N.
Jmerik
, D. V.
Nechaev
, S.
Rouvimov
, V. V.
Ratnikov
, P. S.
Kop'ev
, M. V.
Rzheutski
, E. V.
Lutsenko
, G. P.
Yablonskii
, M.
Aljohenii
, and A.
Aljerwii
, J. Mater. Res.
30
(19
), 2871
(2015
).52.
V.
Jmerik
, E.
Lutsenko
, and S.
Ivanov
, Phys. Status Solidi A
210
(3
), 439
–450
(2013
).53.
V. Y.
Davydov
, V.
Jmerik
, E.
Roginskii
, Y. E.
Kitaev
, Y.
Beltukov
, M.
Smirnov
, D.
Nechaev
, A.
Smirnov
, I.
Eliseyev
, and P.
Brunkov
, Semiconductors
53
(11
), 1479
–1488
(2019
).54.
E.
Iliopoulos
, K.
Ludwig
, Jr., and T.
Moustakas
, J. Phys. Chem. Solids
64
(9–10
), 1525
–1532
(2003
).55.
D. A.
Laleyan
, N.
Fernández-Delgado
, E. T.
Reid
, P.
Wang
, A.
Pandey
, G. A.
Botton
, and Z.
Mi
, Appl. Phys. Lett.
116
(15
), 152102
(2020
).56.
N.
Susilo
, S.
Hagedorn
, D.
Jaeger
, H.
Miyake
, U.
Zeimer
, C.
Reich
, B.
Neuschulz
, L.
Sulmoni
, M.
Guttmann
, and F.
Mehnke
, Appl. Phys. Lett.
112
(4
), 041110
(2018
).57.
H.
Miyake
, C.-H.
Lin
, K.
Tokoro
, and K.
Hiramatsu
, J. Cryst. Growth
456
, 155
–159
(2016
).58.
S. J.
Kim
and T. G.
Kim
, Phys. Status Solidi A
211
(3
), 656
–660
(2014
).59.
M.-C.
Tsai
, S.-H.
Yen
, Y.-C.
Lu
, and Y.-K.
Kuo
, IEEE Photonics Technol. Lett.
23
(2
), 76
–78
(2011
).60.
J.
Simon
, V.
Protasenko
, C.
Lian
, H.
Xing
, and D.
Jena
, Science
327
(5961
), 60
–64
(2010
).61.
Y.
Zhang
, S.
Krishnamoorthy
, J. M.
Johnson
, F.
Akyol
, A.
Allerman
, M. W.
Moseley
, A.
Armstrong
, J.
Hwang
, and S.
Rajan
, Appl. Phys. Lett.
106
(14
), 141103
(2015
).62.
D.
Jena
, J.
Simon
, A.
Wang
, Y.
Cao
, K.
Goodman
, J.
Verma
, S.
Ganguly
, G.
Li
, K.
Karda
, and V.
Protasenko
, Phys. Status Solidi A
208
(7
), 1511
–1516
(2011
).63.
A.
Aiello
, A.
Pandey
, A.
Bhattacharya
, J.
Gim
, X.
Liu
, D. A.
Laleyan
, R.
Hovden
, Z.
Mi
, and P.
Bhattacharya
, J. Cryst. Growth
508
, 66
–71
(2019
).64.
H.
Okumura
, K.
Balakrishnan
, H.
Hamaguchi
, T.
Koizumi
, S.
Chichibu
, H.
Nakanishi
, T.
Nagatomo
, and S.
Yoshida
, J. Cryst. Growth
189
, 364
–369
(1998
).65.
H.-H.
Chen
, J. S.
Speck
, C.
Weisbuch
, and Y.-R.
Wu
, Appl. Phys. Lett.
113
(15
), 153504
(2018
).66.
X.
Liu
, A.
Pandey
, D. A.
Laleyan
, K.
Mashooq
, E. T.
Reid
, W. J.
Shin
, and Z.
Mi
, Semicond. Sci. Technol.
33
(8
), 085005
(2018
).67.
K.
Lee
, P.
Parbrook
, T.
Wang
, J.
Bai
, F.
Ranalli
, R.
Airey
, and G.
Hill
, Phys. Status Solidi B
247
(7
), 1761
–1763
(2010
).68.
K.
Mayes
, A.
Yasan
, R.
McClintock
, D.
Shiell
, S.
Darvish
, P.
Kung
, and M.
Razeghi
, Appl. Phys. Lett.
84
(7
), 1046
–1048
(2004
).69.
K.
Lee
, P.
Parbrook
, T.
Wang
, J.
Bai
, F.
Ranalli
, R.
Airey
, and G.
Hill
, J. Cryst. Growth
311
(10
), 2857
–2859
(2009
).70.
P. G.
Eliseev
, P.
Perlin
, J.
Lee
, and M.
Osiński
, Appl. Phys. Lett.
71
(5
), 569
–571
(1997
).71.
A.
Bell
, S.
Srinivasan
, C.
Plumlee
, H.
Omiya
, F.
Ponce
, J.
Christen
, S.
Tanaka
, A.
Fujioka
, and Y.
Nakagawa
, J. Appl. Phys.
95
(9
), 4670
–4674
(2004
).© 2020 Author(s).
2020
Author(s)
You do not currently have access to this content.
