Publication:
Superlattice-wedge electron blocking layer and quantum barrier architecture analysis for high-efficiency algan-based ultraviolet light-emitting diode

cris.virtual.department#PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE#
cris.virtual.orcid#PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE#
cris.virtualsource.department284e66b9-4b1e-4876-a4ff-9ea89d3b8df1
cris.virtualsource.orcid284e66b9-4b1e-4876-a4ff-9ea89d3b8df1
dc.contributor.authorMohammad Amirul Hairol Aman
dc.contributor.supervisorAhmad Fakhrurrazi Ahmad Noorden
dc.contributor.supervisorMuhammad Zamzuri Abdul Kadir
dc.contributor.supervisorWan Hazman Danial
dc.date.accessioned2025-10-09T03:18:56Z
dc.date.available2025-10-09T03:18:56Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractAlGaN-based ultraviolet Light-Emitting Diode (UV-LED) is an important lighting source in various fields such as the medical sector, water/food treatment industry, sterilization and disinfection devices, agriculture/horticulture and communication. UV-LED offers notable advantages including compact form, long lifespan, and environmentally friendly. Despite this potential, the efficiency of AlGaN-based UV-LED remains significantly lower than that of visible LED, primarily due to poor carrier injections and inadequate carrier confinement in the active region. Insufficient confinement of electrons and holes leads to increased carrier leakage and non-radiative recombination outside the quantum well (QW), especially at high current densities. Consequently, the UV-LED suffers from efficiency droop, referring to a phenomenon where the internal quantum efficiency (IQE) decreases at high current injection. This thesis presents a comprehensive investigation into mitigating efficiency droop of UV-LED through band-engineering, focusing on optimizing quantum barriers (QB) and introducing a superlattice-wedge electron blocking layer (SW-EBL) to enhance the performance of ~270 nm AlGaN-based UV-LED.The simulation is performed by using open-source software, One Dimensional Poisson, Drift-Diffusion, and Schrodinger Solver (1D-DDCC) which is validated with existing literature through IV characteristic and emission wavelength. The analysis covers optoelectronics properties such as energy band diagram, electric field distribution, electron and hole concentrations, and radiative recombination rates. The performance of the UV-LED is evaluated through key performance parameters including IV characteristic, LOP, internal quantum efficiency (IQE) and efficiency droop. The analysis on QBs is conducted by simulating three configurations, which are above-, same- and under-level QB were investigated. It is found that under-level QB significantly alleviates the LOP, luminescence intensity IQE by two-, three- and four-fold while maintaining lowest efficiency droop. The EBL parameterization covers four aspects which are thickness, dopant concentrations, aluminium composition and optimal number of QW. The thickness of the EBL is varied from 10 nm to 60 nm with increment of 10 nm, dopant concentrations from 1 "�" 1016 cm-3 to 1 "�" 1019 cm-3 with increment of 101 cm-3, aluminium composition from 70% to 100% with increment of 10% and number of QW from one to seven with increment of two QWs. It is found that the optimal EBL parameters by considering the LOP, luminescence intensity, IQE and efficiency droop for thickness, dopant concentration, aluminium composition and number of QWs is 10 nm to 20 nm, 1 "�" 1016 cm-3 to 1 "�" 1017 cm-3, 80% to 90% and three QWs. Through the analysis on EBL parameters, a superlattice-wedge EBL is introduced and compared with conventional bulk AlGaN EBL. The results reveal that the LOP improved by ~300% from 30 mW to 130 mW, the luminescence intensity by ~700% from 2.3118 "�" 1020 a. u. to 17.9734 "�" 1020 a. u., and the IQE by 73% from 0.653602 to 0.377295. The efficiency droop, measured at 500 Acm-2, also was significantly reduced from 65% to 12%. This research impacts the potential of superlattice-wedge EBL as an alternative for developing a high-performance AlGaN-based UV-LED, offering significant reduction in efficiency droop and paving the way for more efficient and reliable UV lighting source.
dc.description.abstractarabicتُعد الصمامات الثنائية الباعثة للأشعة فوق البنفسجية (UV-LED) المبنية على مركب (AlGaN) من مصادر الإضاءة المهمة في مجالات متعددة مثل القطاع الطبي، ومحطات معالجة المياه والأغذية، وأجهزة التعقيم والتطهير، والزراعة والبستنة، والاتصالات، وتتميز مصابيح (UV-LED) بعدة مزايا بارزة، من أهمها صغر حجمها، وطول عمرها التشغيلي، إضافة˝ إلى كونها صديقة للبيئة، ورغم هذه المزايا، ما تزال كفاءة مصابيح (UV-LED) المبنية على (AlGaN) أقل بكثير مقارنة˝ بنظيراتها من الثنائيات الباعثة للضوء المرئي، ويُعزى ذلك أسا ˝سا إلى ضعف حقن الحوامل )الإلكترونات والثقوب( وعدم كفاية حصرها داخل المنطقة الفعالة، مما يؤدي إلى تسرب الحوامل وارتفاع معدلات إعادة الاتحاد غير الإشعاعي خارج بئر الكم(QW) ، خصو ˝صا عند تيارات الحقن العالية. ونتيجة لذلك، تعاني مصابيح (UV-LED) من ظاهرة تُعرف بـ تدهور الكفاءةDroop) (Efficiency ، أي انخفاض الكفاءة الكمية الداخلية (IQE) عند مستويات الحقن المرتفعة . يقدم هذا البحث دراسة شاملة لمعالجة تدهور الكفاءة في مصابيح (UV-LED) من خلال هندسة الحزمة(Band- Engineering)، مع التركيز على تحسين الحواجز الكمية (QB) واستحداث طبقة حجب إلكترونات بشكل إسفين فائق الشبكة (SW-EBL) بهدف تعزيز أداء مصابيح (UV-LED) عند الطول الموجي 270~ نانومتر.(One Dimensional Poisson, Drift-Diffusion, and البرنامج باستخدام المحاكاة إجراء تم Solver(1D-DDCC)) Schrodingerوتم التحقق من صحة النتائج عبر مقارنتها مع دراسات مماثلة من خلال خصائص IV وطول الموجة المنبعثة. وشملت التحليلات الخصائص البصرية-الإلكترونية مثل: مخطط نطاقات الطاقة، وتوزيع المجال الكهربائي، وتركيز الإلكترونات والثقوب، ومعدلات إعادة الاتحاد الإشعاعي. كما تم تقييم أداء مصابيح (UV-LED)عبر مؤشرات رئيسية تشمل: خصائصIV ، القدرة الضوئية الخارجة(LOP) ، الكفاءة الكمية الداخلية (IQE)، وتدهور الكفاءة. وقد تناولت الدراسة أولا˝ تأثير الحواجز الكمية من خلال ثلاثة تكوينات: الحاجز فوق المستوى، وعلى المستوى نفسه، وتحت المستوى. وتبين أن الحاجز تحت المستوى يُحسن بشكل ملحوظ القدرة الضوئية الخارجة(LOP) ، وشدة الانبعاث، والكفاءة الكمية الداخلية (IQE) بمقدار مرتين، وثلاث مرات، وأربع مرات على التوالي، مع الحفاظ على أدنى مستوى من تدهور الكفاءة. أما بالنسبة لطبقة حجب الإلكترونات(EBL) ، فقد تم تحليل أربعة متغيرات رئيسية: السمك، تركيز المطعّمات، نسبة الألمنيوم، وعدد آبار الكم. حيث تم تغيير سمك (EBL) من 10 نانومتر إلى 60 نانومتر بزيادة 10 نانومتر، وتركيز من المطّعمات 1 x 1016 cm-3 إلى 1 x 1019 cm-3بزيادة قدرة عشرية، ونسبة الألمنيوم من %70 إلى %100 بزيادة %10، وعدد آبار الكم من بئر واحد إلى سبعة بزيادة بئرين.وُجد أن أفضل القيم لطبقة حجب الإلكترونات لتحقيق تحسين في(LOP ، شدة الانبعاث، IQEوتدهور الكفاءة )هي: سمك من 20–10 نانومتر، تركيز مطعّمات من 1016 1 x إلى cm-3 1 x 1017 ، نسبة ألمنيوم من %80 إلى %90، وعدد آبار كم ثلاثة. وبنا ˝ء على هذه النتائج، تم اقتراح طبقة حجب إلكترونات على شكل إسفين فائق الشبكة (SW-EBL) ومقارنتها بالطبقة التقليدية من AlGaN الضخمة. وأظهرت النتائج تحسنا˝ كبيرا˝ في الأداء، حيث ارتفعت القدرة الضوئية الخارجة (LOP) بنسبة %300~ من 30 ميلي واط إلى 130 ميلي واط، وزادت شدة الانبعاث بنسبة %700~\ منx 2.3118 1020 وحدة ع.م. إلى 17.9734 x 1020 وحدة ع.م.، كما تحسنت الكفاءة الكمية الداخلية (IQE) بنسبة %73 من 0.653602 إلى .0.377295 كذلك انخفض تدهور الكفاءة بشكل ملحوظ عند كثافة تيار 500,%.12 إلى %65 من A/cm2 تؤكد هذه الدراسة على إمكانات طبقة الحجب الإلكترونية فائق الشبكة (SW-EBL) كخيار بديل واعد لتطوير(UV- LED)عالي الأداء مبني على(AlGaN) ، مما يساهم في تقليل تدهور الكفاءة بشكل كبير ويفتح الطريق أمام مصادرضوئية فوق بنفسجية أكثر كفاءة وموثوقية
dc.description.callnumberet QC 374 M697S 2025
dc.description.cpsemailcps2u@iium.edu.my
dc.description.degreelevelDoctoral
dc.description.funderMAJLIS AMANAH RAKYAT (MARA)
dc.description.identifierThesis : Superlattice-wedge electron blocking layer and quantum barrier architecture analysis for high-efficiency algan-based ultraviolet light-emitting diode / by Mohammad Amirul bin Hairol Aman
dc.description.kulliyahKulliyyah of Science (KOS)
dc.description.notesThesis (Ph.D)--International Islamic University Malaysia, 2025.
dc.description.physicaldescription1 online resource (xxvi, 370 leaves) ; color illustrations.
dc.description.programmeDoctor of Philosophy
dc.holdsOWNED BY STUDENT
dc.identifier.urihttps://studentrepo.iium.edu.my/handle/123456789/33304
dc.language.isoen
dc.publisherKuantan, Pahang : Kulliyyah of Science, International Islamic University Malaysia, 2025
dc.subjectElectron Blocking Layer;AlGaN-based Ultraviolet Light-Emitting Diode;Quantum Barrier
dc.subject.lcshOptical materials
dc.subject.lcshPhotonics
dc.titleSuperlattice-wedge electron blocking layer and quantum barrier architecture analysis for high-efficiency algan-based ultraviolet light-emitting diode
dc.typeDoctoral Thesesen_US
dspace.entity.typePublication
oairecerif.author.affiliation#PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE#

Files

Original bundle

Now showing 1 - 1 of 1
Loading...
Thumbnail Image
Name:
ma_superlatticewedge_electron_phd.pdf
Size:
57.92 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description:
Full Text