LED外延結構中漸變式Al組分的電子限制層

楊路華++孟錫俊

摘 要根據外延結構應力導致的極化引起的能帶彎曲理論，采用漸變式Al組分的電子限制層（EBL層），可有效提升電子限制能力，同時降低了該層和P-GaN層之間的晶格失配，提高了P-GaN層的外延質量，得到了發光效率更高的GaN基LED外延片。

【關鍵詞】LED外延 電子限制層 能帶彎曲 漸變式Al組分

LED因其高效率、低功耗、無污染等優勢，將會替代白熾燈、熒光燈、汞燈等發光材料，從而主導包括照明、光固化等諸多行業領域。優化外延結構，得到更高效的LED芯片，將是目前行業開發的主要方向。

本文主要針對LED發光效率問題作出討論。LED發光效率不足，有源區載流子泄漏導致復合效率低是其中一個很重要的原因。EBL層對電子的限制，提升LED芯片的發光效率，因此當前很多研究開始針對EBL層，主要有AlGaN超晶格EBL層，AGA型復合EBL層等，通過改進EBL層結構，達到提升發光效率的目的。本文對漸變式的EBL層結構進行研究，利用極化導致的能帶彎曲，提高該層對有源區電子泄露的限制，提高空穴注入效率，從而提升發光效率。

1 實驗

1.1 實驗方法

實驗所使用樣品通過MOCVD法外延生長，基本結構包括成核層、修復層、復合N型層、多量子阱壘層、EBL層和復合P型層。

針對AlGaN-EBL層設計兩個系列的對比實驗，其中系列一對比EBL層Al摻雜量對外延片亮度的影響，系列二對比EBL層不同Al摻雜方式對外延片亮度的影響。

系列一設計X、Y、Z三組對比實驗，EBL層Al摻雜分別為15%、13%、17%；系列二設計A、B、C三組對比實驗，分別為正常p-AlGaN-EBL層、Al組分遞增AlGaN-EBL層、Al組分遞減AlGaN-EBL層。其中A組樣品EBL層Al組分為15%；B組樣品EBL層的Al組分從13%漸變到17%；C組樣品EBL層Al組分從17%漸變到13%。

實驗獲得的外延片樣品加工為0810標準管芯，并對芯片進行光電性能測試。在20mA工作電流下，測試正向電壓Vf、峰值波長WLP和發光功率IV。

1.2 實驗數據對比

系列一實驗中，三組樣品亮度對比結果為Z>X>Y，即當Al摻雜量增多，外延片亮度會有一定的提升，但是提升效果并不明顯，而且Vf值隨著Al組分的上升而驟升，導致輸入功率的增加，降低發光效率。

系列二實驗中，三組樣品Vf對比結果為C>B>A，亮度對比結果為C>A>B，即當使用Al組分漸變的EBL結構，正向電壓Vf值上升。

2 結論與分析

2.1 電子泄露模型

在多量子阱壘生長結束之后，生長EBL層，通過在導帶形成較高的勢壘，有效地限制電子泄露到P型層提前復合。但盡管EBL層勢壘很高，仍然有一部分電子可以不受限制而泄露。

電子的分布服從費米-狄拉克分布，電子在導帶的濃度如式（1）：

（1）

其中是導帶態密度。

量子阱可限制大部分的電子，EBL層則可阻擋更多的電子。但仍然有一定比例的電子可越過EBL層壁壘，進入P層與空穴提前復合。有效的限制電子的泄露，是提升外延片亮度的重要途徑。

2.2 EBL層Al組分對外延片性能的影響

系列一實驗中，EBL層Al組分增加，勢壘高度升高，電子泄露的比例進一步降低，亮度提升效果在3%以上。但同時因勢壘高度增大，導致芯片正向電壓升高，輸入功率增加，二者相抵消，發光效率實際并沒有提升。

2.3 EBL層Al摻雜工藝對外延片性能的影響

在多量子阱壘層，因受到極化電場的影響，阱壘層都會出現能帶的彎曲傾斜。阱壘生長材料不同，阱層和壘層受到不同方向的應力，因此阱壘層極化電場的方向是相反的，阱壘層能帶彎曲的方向也是相反的。

同樣，EBL層也存在同樣的問題，在量子阱壘和AlGaN之間的層接處，能帶也發生彎曲。本文采用簡化的能帶圖進行了簡要的分析。

EBL層由于極化導致的能帶彎曲，呈現出能帶傾斜，EQ（EBL層與量子阱壘層接處）位置導帶底和價帶頂均高于EP位置（EBL層與P型層接處），因此阻擋電子泄露，EBL層主要作用區域在EQ位置，而對空穴的阻擋，主要作用區域在EP位置。

當EBL層使用Al組分漸變的工藝，該層的能帶也會有所變化，相對于普通EBL結構的A樣品，C樣品的外延結構，EQ位置導帶底升高，加大了這個位置勢壘的高度，對于限制電子泄露起到了積極地作用。而EP位置價帶頂升高，更有利于空穴注入有源區。同時因極化導致的能帶彎曲，EQ位置價帶頂下降對P-GaN層空穴注入的阻擋作用低于EP位置，Al摻雜增加引起的價帶頂下降并不足以將這種阻擋作用提升到與EP位置同樣的效果。而B樣品恰恰與之相反。

3 結果與討論

本研究的創新點在于，利用外延結構應力導致極化引起的能帶彎曲，通過生長Al組分漸變的EBL層，調整EBL層的能帶結構，有效的提升了限制電子泄露的能力。

本文通過調整P-AlGaN-EBL層Al組分的摻雜工藝，找到了一種使用Al組分漸變的生長過程工藝，即EBL層開始生長時Al組分較高，之后逐漸降低，這種生長工藝既可以有效提升EBL層限制電子泄露能力，又不影響空穴注入，同時降低該層與P-GaN層晶格失配，從而有效的提升外延片的亮度。

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作者簡介

楊路華（1973-），男，漢族，陜西省大荔縣人。大學本科學歷，畢業于西安政治學院，現任西安中為光電科技有限公司總經理，從事企業經營管理及技術質量管理工作27年。

作者單位

西安中為光電科技有限公司 陜西省西安市 710065