三明治結構電子阻擋層中勢阱深度對LED 性能的影響

章敏杰 ，梅 霆，2* ，王乃印，朱 凝，2，王達飛，李 浩，文 潔

(1.華南師范大學光電子材料與技術研究所 微納功能材料與器件重點實驗室，廣東 廣州 510631;2.中山大學 光電子材料與技術國家重點實驗室，廣東 廣州 510275)

1 引 言

近年來，發光二極管(LED)的性能有了顯著提高，在戶外照明、汽車車燈、背光顯示以及微電子器件方面取得了廣泛的應用。但LED 的效率在小電流下達到飽和，隨著注入電流的進一步增大，LED 的發光效率會急劇下降，這種問題通常被稱為LED 的效率衰減問題，阻礙著LED 在大功率照明方面的應用。針對LED 在大電流下衰減的機制，研究者提出了許多解釋［1-5］，其中電子泄露和空穴注入不足被認為是導致LED 效率衰減最重要的原因。

在過去幾年，研究者發現傳統的AlGaN 電子阻擋層不僅無法有效地抑制電子泄露，而且還會阻礙空穴的注入［6-8］。為了改善LED 的性能，研究者設計了各種改進型的電子阻擋層結構，例如Al 組分漸變的電子阻擋層［9-11］、與GaN 晶格匹配的Al0.18In0.82N 電子阻擋層［12］、AlGaInN 電子阻擋層［13］、AlGaN/GaN 超晶格電子阻擋層［14］等。結果表明，這些結構都可以明顯地改善LED 的效率衰減問題，但與此同時，這些電子阻擋層結構在外延生長過程中都存在不小的困難。而在近期，Xia等［15］設計了一種在外延工藝中能較為容易實現的電子阻擋層結構，即在傳統的電子阻擋層結構中插入一個GaN 勢阱，并重點討論了GaN 勢阱寬度的變化對LED 性能的影響。研究發現，隨著GaN 勢阱寬度的增加，LED 的光電性能不斷改善。本文在傳統電子阻擋層中插入了一個寬度為12 nm 的AlxGa1－xN勢阱層，并著重討論了AlxGa1－xN 勢阱深度變化對LED 效率衰減的影響。

2 結構與參數

本文中樣品結構如圖1 所示。該器件的幾何尺寸設計為300 μm ×300 μm 的正方形結構，生長在c 面藍寶石襯底上。結構由下至上分別為2.5 μm 厚的u-GaN 緩沖層，2 μm 的n-GaN(n 摻雜濃度為5 ×1018cm－3)，其上的活性層包含6 個2 nm 厚的In0.16Ga0.84N 阱層以及7 個15 nm 厚的GaN 壘層，活性層的上方為20 nm 厚的三明治結構作電子阻擋層(4 nm Al0.1Ga0.9N，12 nm AlxGa1－xN，4 nm Al0.1Ga0.9N)，最后為170 nm 厚的p-GaN。

AlGaN 與InGaN 三元合金的禁帶寬度通過如下公式計算［16］:

其中，Eg(InN)、Eg(AlN)、Eg(GaN)分別為InN、AlN、GaN 的帶隙，并分別取值為0.78，6.25，3.51 eV。LED 器件內部吸收均設置為500 m－1，工作溫度設定為300 K，俄歇復合效率設置為5 ×10－34cm6/s。在模擬中使用的半導體材料的其他參數可以參照文獻［17］。

圖1 三明治結構電子阻擋層的LED 結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of GaN-based LED structures with sandwich EBL.

3 結果與討論

由于晶格失配，在LED 的最后一個壘層和電子阻擋層的界面上會產生很大的極化電場，使能帶在最后一個壘層的區域嚴重地向下彎曲，降低了電子阻擋層的有效勢壘高度(圖2(a)和圖3(a))，從而使電子更容易越過電子阻擋層進入p區，同時也增大了空穴注入有源區的難度。而引入一個AlGaN 三明治結構電子阻擋層后，由于Al0.1Ga0.9N 與AlxGa1－xN 的晶格失配，會使電子阻擋層的Al0.1Ga0.9N 層中的電場明顯增加，從而提高電子阻擋層的帶邊;同時，由于電子阻擋層中電場的增加，在最后一個壘層中分布的電場在x值從0.1 降為0.02 的過程中，也減少了將近一半，如圖2(b)和圖2(c)所示，因而減輕了最后一個壘層區域的能帶彎曲程度，如圖3(b)和圖3(c)所示。因此，隨著x 值從0.1 減小到0.02，電子阻擋層對電子的有效勢壘高度從195 meV(x=0.1)增加到了321 meV(x=0.02)，對空穴的有效勢壘高度則從248 meV 降低到了212 meV。所以，AlGaN 三明治結構電子阻擋層的引入增強了LED 將電子限制在有源區的能力，同時LED 的空穴注入效率也得到了很大提高。

圖2 AlxGa1－xN LED 樣品在200 mA 電流下的電場分布圖。(a)x=0.1;(b)x=0.06;(c)x=0.02。Fig.2 Simulated electrostatic fields throughout AlxGa1－xN LEDs under 200 mA forward current.(a)x=0.1.(b)x=0.06.(c)x=0.02.

此外，值得注意的是，在AlGaN 三明治結構電子阻擋層中存在一個較淺的勢阱，如圖3(b)和圖3(c)所示，而在這些淺勢阱中會發生較強的空穴聚集效應。在注入電流較小時，空穴聚集效應很微弱，可以忽略不計，但在大電流時，大量空穴被聚集在這個勢阱中，如圖4 所示。從圖中可以看到，空穴聚集效應隨著x 值的降低而明顯增強，當x 值從0.1 降低到0.02 時，在靠近電子阻擋層與有源區的界面附近，空穴濃度至少提高了一個數量級。這種空穴聚集效應將極大地促進空穴從電子阻擋層向有源區的注入。同時，隨著x 值的降低，p-GaN 層的空穴濃度也呈現出輕微的下降趨勢，這說明更深的勢阱同時也會促進空穴從p型層向電子阻擋層的注入。

圖3 AlxGa1－xN LED 樣品在200 mA 電流下的能帶分布圖。(a)x=0.1;(b)x=0.06;(c)x=0.02。Fig.3 Calculated energy band diagram of AlxGa1－xN LEDs at 200 mA forward current.(a)x=0.1.(b)x=0.06.(c)x=0.02.

圖4 AlxGa1－xN LED 樣品在200 mA 電流下的空穴濃度的對數分布。(a)x=0.1;(b)x=0.06;(c)x=0.02。Fig.4 Distribution of hole concentrations (log)of AlxGa1－xN LEDs at 200 mA forward current.(a)x=0.1.(b)x=0.06.(c)x=0.02.

這與在200 mA 注入電流下有源區的空穴分布相對應，如圖5(a)所示。為更方便地觀察圖像變化，我們將具有AlGaN 三明治結構電子阻擋層的LED 樣品的數據圖像平移了少許。從圖中可以看到，在x 值由0.1 下降到0.02 的過程中，由于更為有效的空穴注入，LED 有源區的空穴濃度有了顯著變化，特別是在靠近p 型層的量子阱中。200 mA 下3 個樣品的電子電流分布圖如圖5(b)所示，在x=0.1 時(傳統的LED)，電子漏電流表現得較為嚴重;但在引入AlGaN 三明治結構電子阻擋層后，由于更高的有效勢壘高度和更有效的空穴注入，漏電流得到了明顯的改善，更多的電子被限制在有源區參與復合發光。因此，由于更有效的空穴注入和更強的電子限制作用，引入AlGaN三明治結構電子阻擋層的LED 必然呈現出更高的輻射復合速率，并且勢阱深度越大復合速率越大，復合主要發生在靠近p 型層的量子阱中，如圖5(c)所示。在x 值由0.1 降低至0.02 時，輻射復合速率提高了31%。

圖5 在200 mA 電流下，3 個樣品的有源區空穴分布(a)、電子電流分布(b)和輻射復合率分布(c)。Fig.5 Distribution of hole concentration in the active region(a)，electron current density (b)，and radiative recombination rate (c)of the three LEDs at 200 mA.

綜合上文所述的LED 在空穴注入、漏電流、輻射復合速率等方面的改善，內量子效率的提高也就是可以預期的了。如圖6(a)中的插圖所示，3 個樣品的內量子效率隨著電流增加都呈現出下降的趨勢。傳統的LED(x=0.1)由于嚴重的電子泄露和不足的空穴注入，效率衰減現象表現得十分明顯。當引入AlGaN 三明治結構電子阻擋層后，效率衰減現象得到了顯著的改善。同時，我們可以看到，在x 值由0.1 變為0.06 和0.02 的過程中，插入阱的深度越大則LED 的效率衰減問題改善得越明顯。

圖6 (a)在200 mA 注入電流下，AlxGa1－xN LED 內量子效率和漏電流隨x 值的變化，插圖為3 個樣品的內量子效率隨電流變化的情況;(b)AlxGa1－xN 三明治結構電子阻擋層中兩個勢壘的有效高度隨x 值的變化情況。Fig.6 IQE and leakage current at 200 mA injection current(a)andeffective barrier height of the two barriers in EBL (b)vs.the value of x.The insert in Fig.6 (a)shows simulated IQE as a function of the injection current for the three LEDs.

盡管如此，但當x 值從0.02 開始繼續下降時，效率衰減現象卻又重新變得嚴重起來。因為圖像變化較小，我們畫出了200 mA 注入電流下內量子效率隨x 值的變化情況，如圖6(a)所示(左y軸)。從圖中可以看到，引入AlGaN 三明治結構電子阻擋層后，LED 的內量子效率并不是隨著x值的降低而一直改善的。在x 值從0.1 降低至0.02 時，LED 的內量子效率增加得很明顯，之后在x 值繼續下降至0 時卻呈現出輕微下降的趨勢。可能的解釋是，在AlGaN 三明治結構電子阻擋層中，越過第一個勢壘進入淺勢阱中的電子的比例與它的有效勢壘高度Eb1有關，即exp(－ Eb1/k0T)。同時，因為勢阱的寬度足夠大(12 nm)，使得在其中的量子效應不是很明顯，所以我們可以將這個勢阱視為一個電子池。因此，電子從這個電子池中越過第二個勢壘進入p 型層的比例同樣可以由它的有效勢壘高度Eb2來決定。從圖6(b)中我們可以看到，當x 值從0.08 下降到0.02時，Eb1和Eb2都有顯著的提高，因此LED 樣品對電子的限制作用得到了增強，減小了漏電流，同時改善了樣品的內量子效率，如圖6(a)所示。但當x 值繼續由0.02 下降至0 時，Eb1基本保持不變，但Eb2卻由于費米能級在該處的進一步提高而有所降低，從而導致樣品對電子的限制能力減弱，使得漏電流增加，內量子效率下降，如圖6(a)所示。

4 結 論

研究了AlGaN 三明治結構電子阻擋層對LED 性能的改善，討論了電子阻擋層中勢阱深度的變化對LED 性能的影響。結果表明，由于電子阻擋層中增強的電場對能帶的調制，使得電子阻擋層相對于電子的有效勢壘高度提高，而相對空穴的有效勢壘高度則有所下降;同時，較強的空穴聚集效應也會發生在電子阻擋層引入的勢阱中。以上兩點使得LED 對電子的限制作用和空穴注入效率明顯改善，因此抑制了效率衰減現象。同時我們發現，引入AlxGa1－xN 三明治結構電子阻擋層的LED，其性能與x 值有著十分密切的關系，當x 值由0.1 下降至0.02 時，內量子效率不斷提高;但當x 值進一步從0.02下降至0 時，內量子效率卻又呈現出輕微下降的趨勢。這可能是由于電子阻擋層中第二個勢壘高度下降的影響。

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