紫外LED隧穿結的模擬設計

林 偉，吳雅蘋，李德鵬，盧詩強

(廈門大學 物理科學與技術學院 a.物理系;b.福建省半導體材料及應用重點實驗室; c.半導體光電材料及其高效轉換器件協同創新中心，福建 廈門 361005)

LED以其固有的高效率、長壽命以及低功耗等優點在通用照明領域如指示燈、顯示屏、交通信號燈等方面得到了廣泛的應用，特別是藍光發光二極管在通用照明領域的推廣和普及，成就了2014年度諾貝爾物理學獎[1]. 隨著LED技術向短波化發展，工作在紫外乃至深紫外波段AlGaN基LED成為下一個發展前沿. 盡管業界看好紫外LED美好的前景，然而AlGaN材料的p型摻雜困難極大限制器件空穴注入，成為應用系統效能的瓶頸所在[2]. 利用AlGaN強極化特性增進空穴的隧穿注入，成為實現AlGaN基LED器件應用的可行方案[3]. 為將前沿的紫外LED物理進展和知識普及給理工科院校本科生，基于本校物理開放性實驗教學，本文采用APSYS軟件模擬設計漸變Al組分隧穿結增進空穴的注入，這有助于學生加深對紫外LED的結構、功能以及工作原理分析與優化等方面知識的了解.

1 紫外LED隧穿結的設計

采用APSYS軟件設計非漸變和漸變Al組分隧穿結. Al組分隧穿結AlGaN基深紫外LED結構見圖1. 構建4組漸變Al組分隧穿結深紫外LED_A～D，并構建非漸變隧穿結深紫外LED_E作為對照，非漸變和漸變Al組分見表1.

圖1 Al組分隧穿結AlGaN基深紫外LED結構圖

表1 隧穿結Al組分

其中p型Al0.5Ga0.5N層和n型Al0.5Ga0.5N層的摻雜濃度均為5×1018cm-3，變Al組分隧穿結LED_A～E的p型層和n型層的摻雜濃度均為7.5×1019cm-3，厚度均為35 nm.

模擬計算，禁帶寬度依據Vegard定則[4-5]估算，AlxGa1-xN材料禁帶寬度采用Eg=6.28x+3.42(1-x)-x(1-x)[6]推算. 受主激活能隨Al組分線性地由140 meV(GaN)變化至630 meV(AlN)，施主激活能為15 meV[7]. 模擬隧穿結工作在室溫300 K平衡溫度下，AlGaN材料參量基于文獻報道的公認數值，價帶與導帶帶階比[8]為0.3/0.7，俄歇復合系數[9]為1×1030cm6·s-1，肖特利-里的-霍爾(SRH)復合時間[9]為1.5 ns. 對于AlxGa1-xN合金的纖鋅礦結構，晶體生長過程中通過位錯弛豫而產生的極化感應層電荷密度設定[10]40%，其余參量見參考文獻[11-12].

2 仿真結果分析與討論

2.1 漸變Al組分隧穿結的電子結構特性

有源區空穴注入濃度見圖2. 漸變Al組分結構有源區的空穴濃度相對于非漸變結構有1倍多的提升，比較各漸變Al組分深紫外LED有源區空穴濃度，發現當Al組分漸變量為0.45-0.7-0.45時，對應的LED有源區空穴濃度達到最大值3.7×1018cm-3，這表明漸變Al組分為0.45-0.7-0.45時，空穴注入有源區濃度得到提升.

圖2 有源區空穴濃度與隧穿結漸變Al組分的關系

圖3(a)展示了各漸變組分隧穿結UVLED電致發光譜在297 nm處的譜峰光強，可以看出采用漸變Al組分的隧穿結構后LED的EL譜相對于非漸變結構提升了近2個量級，相對于其他漸變組分隧穿結UVLED，LED_C漸變參量為0.45-0.7-0.45時EL譜光強達到最大值. 典型的EL結果如圖3(b)所示，發光峰位于297 nm. 結合圖2空穴濃度數據，有源區空穴濃度的顯著提升提高了有源區內電子空穴輻射復合光強度.

(a)不同漸變參量對應的EL峰值強度

(b)LED_C的EL譜(20mA)圖3 漸變Al組分隧穿結LED的電致發光譜

為揭示載流子的隧穿行為，模擬計算隧穿結能帶結構，如圖4所示，漸變Al組分隧穿結電子結構漸變組分間帶階加上AlGaN材料先天存在的自發極化和壓電極化引發能帶的傾斜加劇，增強載流子擴散—漂移聯合運動方式，有助于減小載流子在隧穿結內的遷移隧穿概率.

圖4 正向偏壓10 V時隧穿結區域能帶圖

2.2 漸變Al組分隧穿結LED的光電特性分析

基于優化漸變Al組分隧穿結，深入考察器件電流電壓關系、電致發光譜、內量子效率、光功率和輻射復合率，以揭示漸變組分隧穿結提升空穴注入增強器件光效的機制.

圖5為漸變組分與非漸變組分深紫外隧穿結LED的電流-電壓曲線，2種結構的深紫外LED開啟電壓約6 V，隨著電流的增大非漸變結構趨向線性上升，呈現更好的導電性.

圖5 電流-電壓關系圖

注入電流20 mA的EL譜見圖6，其中漸變Al組分隧穿結構有源區297 nm帶邊峰值強度比非漸變Al組分隧穿結構峰值強度大近2個量級.

圖6 EL譜

圖7 內量子效率與注入電流關系圖

圖7為內量子效率隨注入電流的變化關系，盡管不可避免大電流注入下內量子效率下降，但是漸變Al組分隧穿結構進一步減緩了內量子效率下降的趨勢，工作電流300 mA時內量子效率僅下降至35%，而非漸變結構則下降至12%.

圖8展示了光輸出功率隨注入電流變化的關系，隨著注入電流的增加，光功率均呈現上升趨勢，漸變Al組分隧穿結構UVLED的光輸出功率提升幅度明顯.

圖8 光輸出功率與注入電流的關系

觀察圖9有源區的輻射復合率，在工作電流為20 mA時，漸變Al組分隧穿結構有源區輻射復合率比非漸變Al組分隧穿結構高出22%，表明漸變Al組分隧穿結的引入增大有源區注入的空穴濃度，量子阱內輻射復合率得到提高.

圖9 有源區的輻射復合率

3 結 論

通過虛擬仿真實驗模擬設計漸變Al組分隧穿結，利用漸變組分間帶階結合AlGaN材料先天存在的自發極化和壓電極化調控能帶，增強載流子擴散—漂移聯合運動方式，有助于增大載流子在隧穿結內的遷移隧穿概率. 模擬計算表明：經優化組分，漸變Al組分隧穿結，p+-AlGaN中Al組分自下而上線性地由0.45漸變到0.70，n+-AlGaN中Al組分自下向上線性地由0.70漸變到0.45. 器件I-V曲線在開啟電壓以上，呈現近線性關系，表明漸變Al組分隧穿結深紫外LED器件表現出更佳的電注入特性，297 nm室溫電致發光峰強度高于非漸變結構深紫外LED. 內量子效率、光功率和輻射復合率模擬結果進一步證實漸變Al組分隧穿結的引入增大了有源區注入的空穴濃度，量子阱內輻射復合率得到提高.