GaN基LED光電器件的壘層研究與設計*

姚惠林，宋麗君，路 綱，陳朝輝，王 波

（洛陽理工學院電氣工程與自動化學院，洛陽 471023）

近年來，半導體LED市場及其前景被許多國家所關注，各國都紛紛制定相應的LED發展計劃。如2001年日本制定了“21世紀光計劃”，2000年歐盟制定了“彩虹計劃”，2002年中國臺灣成立了“下一代光源新技術研發集團”。美國在2002年至2010年期間投入巨額資金開發半導體LED照明產品。2003年6月17日，我國由科技部組織的“國家半導體照明工程”正式啟動。2009年初，為了推動中國LED產業的發展，降低能源消耗，中國科技部推出“十城萬盞”半導體照明應用示范城市方案，該方案的實施將極大地推動中國LED產業的發展。特別是最近中國淘汰白熾燈計劃的實施，也將極大地促進LED產業的發展。GaN基高亮度LED已成為光電子領域研究和產業的熱點［1-3］。但是大功率LED目前還是不太成熟，特別是隨著驅動電流的增加，LED的發光效率會逐漸降低，即“Efficiency Droop”現象。這一現象嚴重阻礙了LED的使用和推廣。

針對GaN基LED存在的這一問題［1-6］，本文提出了一種新的器件制備方法：即在傳統的U型GaN壘層中插入一層P型InGaN薄層，從而提高LED的光電效率，緩解效率下降的問題。

1 器件結構和制備過程

本論文中外延片的基本結構如圖所示，外延片大致包括以下幾個部分：藍寶石襯底、緩沖層、u-GaN、n-GaN、多量子阱發光層、P型電子阻擋層（EBL）以及P型GaN層［7-8］。具體生長方法如下：

圖1 三種LED器件的結構

在外延片生長之前是Bake+Coat：Bake的作用是利用高溫去除反應腔內的揮發物質；Coat的作用是在石墨基座上生長一層GaN涂層，防止石墨基座中的揮發物造成污染。首先在100 mbar的氣壓，1 090°并通入氫氣的條件下烘烤襯底300 s。然后在通入氮氣氮化襯底120 s。接著在530°的條件下生長GaN緩沖層，緩沖層主要起到釋放應力的作用。然后生長u-GaN，u型氮化鎵分成3層來長，分別是 GaN0、GaN1和 GaN2，從 GaN0到 GaN2的生長速度逐漸增加，GaN0、GaN1、GaN2的生長壓強分別是 650 mbar、400 mbar、250 mbar。接著生長多量子阱發光層，我們一共生長了6個周期的量子阱，每層壘的生長時間是180 s，大約10 nm，阱層的生長時間是110 s，厚度大約是3 nm。壘層的生長溫度是830°，阱層的生長溫度是730°，In的組分大約為16%。然后生長電子阻擋層，普通傳統結構采用AlGaN作為電子阻擋層，AlGaN的厚度是20 nm，生長溫度為960°。在本文所提出的新結構中，最后生長P型GaN，P-GaN層也分兩層來生長。第1層厚度較薄，但是摻雜濃度高，第2層厚度較厚，但是摻雜濃度會低些。為了更有利于形成歐姆接觸，我們還生長了兩個周期的GaN/InGaN超晶格層。在生長發光層中的阱層和壘層時，為了增加In的并入，所用的載氣為氮氣，而其他層的生長都是用氫氣做載氣。采用氫氣做載氣生長GaN有利于減小外延層中［O］和［C］的濃度。傳統的LED A直接采用U型的GaN做壘層；而LED B采用在U型GaN壘層中插入P型GaN的方法做壘層；LED C采用在U型GaN壘層中插入P型InGaN的方法做壘層。同時為了從理論上分析改進的壘層對器件性能的影響并加深對器件工作原理的理解，我們采用APSYS軟件對器件中載流子分布、量子效率等進行了計算。APSYS軟件利用有限元法在空間離散泊松方程、電流連續性方程、載流子輸運方程和量子機制的波方程等方程，得到非線性方程組，然后用求解非線性方程組的方法，如牛頓迭代法進行迭代求解，從而得到LED器件的電學與光學特性。該軟件不僅考慮了氮化物組件各層交接面的內建極化效應，還兼顧了載流子的自發輻射復合和缺陷所造成的SRH非輻射復合速率問題。在仿真精度高的基礎之上，此軟件還具有迭代穩定和計算速度高的特點。

2 結果與分析

圖2是在20 mA的注入電流下，3個LED中空穴的分布情況。在傳統的LED結構中，電子和空穴主要分布在最靠近P區的量子阱區域中。這種分布方式存在以下幾個問題：首先，最后一個阱中的電子濃度太高，電子在電子阻擋層中的隧穿效應會非常明顯，這種隧穿效應將惡化電子泄漏的問題；其次，由于電子主要集中在最后一個阱層中，電子的濃度會很高，俄歇復合會大大增加，從而降低LED的輻射復合速率［9-13］；最后，載流子主要分布在最后一個阱中，也不利于阱層的利用，浪費了工藝成本。從圖2可以看出，在傳統的GaN壘層中插入一層P型InGaN層，一方面能提高多量子阱中空穴的濃度，另一方面也使得空穴的分布更加均勻。

圖2 LED器件在20 mA的注入電流下量子阱中空穴的分布情況

發光二極管是依靠載流子的輻射復合而發光的，這是一種雙載流子復合發光過程。從圖3可以發現，改進結構后的量子阱區域的輻射復合發光速率相對于傳統結構提高了近20%，而這表明該樣品的內量子效率變高了。采用插入層的方法后，量子阱和量子壘層的晶體質量都有所提高，位錯缺陷的密度也有所減小。位錯缺陷是一種非輻射復合中心，它能捕捉非平衡載流子從而減小輻射復合發光的效率?？梢钥吹?，有源區晶體質量的提高也能有效提升輻射復合的發光效率。

圖3 3個器件中的輻射符合速率

如圖4所示，在大電流下，傳統結構的LED中存在很大的漏電問題，這些泄漏進P區的電子和P區未來得及注入量子阱中的空穴發生非輻射復合后會降低LED的發光效率。而在改進后的結構中，由于電子和空穴的分布更加均勻，電子波函數和空穴波函數的交疊更大，復合的速率更高，從而極大地緩解了如圖4所示的漏電問題。

圖4 三種LED器件的電子泄露情況

如圖5（a）所示，改進結構后的壘層大大地緩解了“Efficiency Droop”的問題。另外，如圖5（b）所示，改進結構后的LED在0～200 mA的范圍內的發光功率都要大于傳統結構的LED。很明顯，本結構對于大功率LED的研制具有重要的意義。

圖5 （a）LED的內量子效率和（b）發光功率

3 結論

本文采用在GaN壘層中插入P型材料的方法緩解了LED效率隨驅動電流的上升而下降的問題，提高了器件的發光效率。從理論上分析LED效率提高的原因，發現是器件多量子阱中載流子濃度的提高導致輻射復合效率也隨之增加，從而緩解了漏電問題并最終提升了LED的發光效率。

［1］Kim M H，Schubert M F，Dai Q，et al.Schubert E F，Piprek J and Park Y Origin of Efficiency Droop in GaN-Based Light-Emitting Diodes［J］.2007，Appl.Phys.Lett.91 183507.

［2］張哲娟，楊介信，高陽白光發光二極管在高效光源模塊中的應用［J］.2007，31（1）：29.

［3］Schubert M F，Xu J，Kim J K，et al.Polarization-Matched GaInN/AlGaInNMulti-Quantum-Well Light-Emitting Diodes with Re?duced Efficiency Droop［J］.2008 Appl.Phys.Lett.93 041102.

［4］史永勝，趙會平，單級PFC反激式LED電源的研究與設計［J］.2014，34（4）250-254.

［5］Xie J，Ni X，Fan Q，et al.On the Efficiency Droop in InGaN Multiple Quantum Well Blue Light Emitting Diodes and Its Reduction withpdoped Quantum Well Barriers［J］.2008 Appl Phys Lett，93：121107.

［6］Rozhansky I V，Zakheim D A.Analysis of Dependence of Electro?luminescence Efficiency of AlInGaN LED Heterostructures on Pumping［J］.Phys，Status Solidi C.3，2006：2160.

［7］Rozhansky I V，Zakheim D A.Analysis of Processes Limiting Quantum Efficiency of AlGaInN LEDs at High Pumping［J］.Phys?Status Solidi A 2007：204，227.

［8］Kim A Y，G?tz W，Steigerwald D A，et al.Performance of High-Power AlInGaN Light Emitting Diodes［J］.Phys Status Solidi A188 2001：15.

［9］Justin Iveland，Lucio Martinelli，Jacques Peretti，Direct Measure?ment of Auger Electrons Emitted from a Semiconductor Light-Emitting Diode under Electrical Injection：Identification of the Dominant Mechanism for Efficiency Droop［J］.Physical Review Letters，2013：110.177406

［10］Giovanni Verzellesi，DavideSaguatti，Matteo Meneghini，et al.Effi?ciency droop in InGaN/GaN Blue Light-Emitting Diodes：Physical Mechanisms and Remedies［J］.Journal Of Applied Physics 2013：114，071101.

［11］Akyol F，Nath D N，Krishnamoorthy S，et al.Suppression of Electron Overflow and Efficiency Droop in N-Polar GaN Green Light Emitting Diodes［J］.Appl Phys Lett，2012 100，111118

［12］Christophe A.Hurni，Aurelien David，Michael J Cich，et al.Bulk GaN Flip-Chip Violet Light-Emitting Diodes with Opti?mized Efficiency for High-Power Operation［J］.Appl Phys Lett 2015 106，031101.

姚惠林（1964-），男，湖北荊州人，洛陽理工學院電氣工程與自動化系，副教授，主要研究自動化與光電子器件。