藍紫光發光二極管中的低頻產生-復合噪聲行為研究

王黨會 許天旱

(西安石油大學材料科學與工程學院,西安 710065)

1 引 言

GaN基寬禁帶光電子半導體材料具有在0.7—6.2 eV之間的直接、連續可調的帶隙特性,是實現半導體藍光及紫光/深紫外光發光二極管(lightemitting diode,LED)、激光二極管和GaN基功率器件的關鍵材料.目前,GaN基LED多采用多量子阱(multiple quantum well,MQW)結構作為發光活性區.在施加正向偏置時,由于外加電壓基本都在耗盡層上,抵消并減弱了內建電場,降低了勢壘高度,因此多數載流子就容易越過勢壘注入對方形成少數載流子.于是處于高能態的電子和空穴相遇復合,同時把多余的能量以電磁波的形式釋放,從而實現固態發光.基于p-n結理論的LED發光原理如圖1所示,圖中箭頭所示為電子與空穴輻射復合發射可見光的傳播方向.發光活性區中少數載流子之間的輻射復合是引起LED發光的主要原因.

近20年來,隨著半導體制程尺寸的日益減小,半導體器件中的納米界面效應、異質結勢壘以及雜質與缺陷等固有的物理現象,已經成為俘獲與發射載流子、進而影響載流子輸運行為的主要因素[1-4].在電子元器件的工作過程中(尤其是開啟過程),電子與空穴在電場作用下的擴散與漂移、陷阱能級或缺陷能級對載流子的俘獲與發射,以及雜質與晶格的散射作用等物理過程,均能引起載流子數目的漲落和遷移率的漲落,這些過程中蘊涵著豐富的噪聲信息[5-8].我們知道,GaN基LED的實質是InGaN/GaN MQW結構,其發光區域主要集中在p-GaN的有源區,載流子的溢出、發光活性區中的位錯對載流子的俘獲以及Auger效應被認為是引起LED量子效率降低的主要原因.當電流注入時,MQW結構LED中的載流子復合、非輻射復合以及載流子數目漲落中包含的大量信息往往被許多研究者忽略.LED中的產生-復合 (generation-recombination,g-r)噪聲起源于器件中陷阱對少數載流子的隨機俘獲或者發射,引起了電流傳導過程中載流子數目和遷移率的漲落.當載流子被俘獲時,會誘發引起遷移率、擴散系數、電場強度、勢壘高度以及空間電荷區寬度等方面的漲落[9-12].低頻噪聲作為一種有效的、敏感的無損檢測技術,其中的低頻1/f噪聲和g-r噪聲中分別包含著半導體器件中載流子的擴散、漂移、漲落等輸運信息和發光活性區中載流子的產生、復合以及被雜質缺陷的俘獲等信息.研究g-r噪聲的產生機理、噪聲幅值和特征頻率等參數,以及這些參數與電子流之間的關系等問題,對深入了解LED的發光機理、LED在大電流注入下的電流噪聲特性,以及在高電流密度注入下LED的質量與可靠性評估具有重要的研究意義.本文采用低頻噪聲對LED高電流密度注入下的載流子輸運行為和低頻g-r噪聲的行為之間的相關性進行了研究.

圖1 p-n結型LED發光原理圖Fig.1.Principle schematic of p-n junction LED.

2 實 驗

實驗所采用的LED均是采用金屬有機化學氣相沉積(metal-organic chemical vapor deposit,MOCVD)技術,以異質外延的方式生長在藍寶石襯底之上.具體的生長工藝如文獻[13]所示,對LED的低頻噪聲測試是在西安電子科技大學噪聲檢測與無損診斷實驗室完成的.在LED的低頻噪聲測試實驗中,測試頻率的范圍為1—100 kHz,測試電流的范圍為0.1—180 mA.為了保證電流值的精確性,對LED串聯了一個可變電阻Rd,其阻值范圍為10—10000 Ω;相應的前置偏壓的范圍為0.1—3.0 V,通過改變串聯電阻的大小實現開啟LED并逐漸增大電流的目的.根據圖2所示的低頻噪聲測試原理,電流噪聲的功率譜密度SI(power spectral density,PSD)為

式中,SI為測試的電流噪聲PSD (單位為A2/Hz);NV_MEAS為測試的電壓噪聲PSD (單位為圖2中CAMP為放大器;RF為可調節并聯電阻器;Digitizer為數字化的數據處理設備.通過(1)式和圖2,可以獲得不同電流下LED的噪聲PSD.

圖2 LED低頻噪聲測試原理圖Fig.2.Measurement schematic of low frequency noise for LED.

3 實驗結果與討論

3.1 伏安特性

圖3給出了室溫下對LED進行光致發光(photoluminescence,PL)測試的結果.從圖3可以看出,LED發光的峰值波長為428 nm,屬藍紫光范疇.電學性能測試的伏安(V-I)特性曲線如圖4所示.從圖4可以看出,當施加約2.52 V的正向偏置時,LED開始發光.

在正向偏置電壓U下(2 ＜U＜ 6),LED的理想因子γ為[14]

式中,Rp為并聯電阻,Rs為串聯電阻,Is為反向飽和電流,kB為玻爾茲曼常數,T為開氏溫度,I為流經二極管的電流,q為真空中的單位靜電荷.根據文獻[15]中的LED模型,結合圖4的曲線可知,實驗中LED的寄生電阻可忽略不計.通常情況下,Rp的數量級遠大于Rs.(2)式可改寫為

圖3 LED室溫PL測試Fig.3.PL measurement at room temperature.

圖4 LED的V-I特性測試曲線Fig.4.V-Icharacteristic transfer curve of LED.

根據(3)式對V-I特性曲線進行擬合,得到LED的理想因子γ=5.43,這表明LED內部存在串聯電阻的特性.眾所周知,當理想因子γ=1時,LED中擴散電流占主導地位;當理想因子γ=2時,LED中復合電流占主導地位.但是實際上,LED的理想因子γ通常遠大于2.高的理想因子不能用擴散理論和復合理論進行解釋,而必須采用隧穿理論進行解釋,此時隧穿電流變得更加重要.在LED施加正向偏置時,由于一部分電壓降在LED的串聯電阻Rs上,使得外加電壓引起的勢壘降低會小一些,結區周圍的表面非輻射復合引起了一些附加電流[15].因此,LED正向V-I特性用一個非理想的二極管方程描述：

式中,Inr0是反向非輻射復合電流;In,Ip,In0,Ip0,Inr分別為電子對電流的貢獻、空穴對電流的貢獻、反向電子電流、反向空穴電流及非輻射復合電流.注入到工作區的一些載流子可能會發生非輻射復合而降低內量子效率,Auger復合是一種本征的非輻射復合過程.在Auger復合中,電子空穴對釋放的能量被多數載流子(即n型材料中的電子和p型材料中的空穴)吸收.但是在發射可見光的寬禁帶半導體中,Auger過程相對較弱,非輻射復合主要是來源于深雜質能級.

3.2 低頻噪聲特性

為了進一步研究電流注入下LED的低頻噪聲特性,對LED分別施加了不同大小的電流(0.1,10,27,50,80和180 mA),并測量了不同電流注入下LED中的低頻電流噪聲,測試結果如圖5所示.從圖5可以看出,隨著測試電流的逐漸增加,LED的低頻電流噪聲也逐漸增加.當電流從0.1 mA逐漸增大到27 mA時,電流噪聲功率譜具有g-r噪聲的特征,而且隨著電流的逐漸增大,g-r噪聲的特征逐漸消失.當測試電流增加到50 mA時,低頻噪聲的行為接近于標準的閃爍噪聲(即1/f噪聲,此時γ=1).文獻[16,17]認為,當電流越小(小于0.1 mA)時,LED低頻電流噪聲的行為具有接近產生g-r噪聲的趨勢,引起這種噪聲變化的原因是由于非輻射復合的隧穿過程,這種非輻射復合的隧穿過程是由于擴展的缺陷體系延伸到了LED的光學活性區.在低電流注入下,g-r噪聲在低頻噪聲中是主要的噪聲機制,它起源于p-n結勢壘之間復合電流的漲落[18-21].

圖5 InGaN/GaN LED的電流噪聲PSD與頻率的關系圖Fig.5.Relationships between current PSD and frequency for InGaN/GaN LED.

從圖5還可知,在電流大于27 mA時,InGaN/GaN MQW LED中低頻1/f噪聲的成分在逐漸增加;而在電流為0.1—27 mA時,低頻噪聲中的g-r噪聲源的成分在逐漸降低.一般情況下,電子器件中的低頻噪聲是由三部分構成[18-20],如下式所示：

式中,第一項A為白噪聲的幅值;f為頻率;第二項為閃爍噪聲(flicker noise)項,B為閃爍噪聲的幅值,γ為閃爍噪聲的頻率指數因子,當γ=1時為1/f噪聲,表明載流子之間的產生與復合達到平衡;第三項為Lorentzian噪聲,C為Lorentzian噪聲的幅值,f0=1/(2πτ0)為g-r噪聲的轉折頻率,其中τ0為Lorentzian噪聲的時間常數,α為Lorentzian噪聲的頻率指數因子,當α=2時為標準的g-r噪聲.采用(5)式對LED的電流噪聲PSD進行頻率范圍為1—100000 Hz曲線擬合,擬合曲線如圖6所示,低頻噪聲(包括1/f和g-r)參數的提取結果如表1所列.

圖6 根據(5)式擬合g-r噪聲參數Fig.6.Fitting results of g-r noise using Eq.(5).

從表1可以看出,隨著電流的不斷增大,樣品中白噪聲的幅值(A=4KBTR)變化很小,這表明整個測試系統的溫度和樣品的電阻保持穩定,背景噪聲的影響較小.而1/f噪聲的幅值A隨著電流的增大而增大;閃爍噪聲的指數因子γ隨測試電流的增大而逐漸從0.65逐漸增大到0.83,0.90,0.95和1.09,說明在大電流注入下,樣品中的低頻噪聲行為逐漸成為1/f噪聲.當電流從0.1 mA逐漸增大到27 mA時,低頻Lorentzian噪聲的成分逐漸演進為g-r噪聲(Lorentzian噪聲的頻率指數因子從1.84變化到2.02),且只有一個特征頻率,表明LED中的g-r噪聲源自于禁帶中的一個缺陷能級.對于極性MQW結構LED而言,在外加正向偏置電壓時,能帶結構會發生傾斜,對于費米能級的位置也將發生改變,從而使雜質能級與費米能級交叉點的位置發生變化.因此,g-r噪聲的特征頻率發生了改變,g-r噪聲的幅值逐漸從 1.32×10-19增大到4.07×10-17.從表1還可以看到,對g-r噪聲而言,隨著注入電流的逐漸增大,特征頻率變得越來越低,這意味著g-r噪聲的時間常數越來越大;反之,當雜質能級越靠近能帶中間時,由于雜質能級近似等于Ei,即相當于本征狀態n0=p0=ni,故f0越小[21-23].

表1 根據(4)式提取出的低頻噪聲參數Table 1.Extraction results of low-frequency noise using Eq.(4).

表2 低頻1/f噪聲和g-r噪聲參數與電流之間的指數關系Table 2.Exponent relationships between parameters of 1/fnoise and g-r noise and measured currents.

根據表1的提取結果,對1/f噪聲和g-r噪聲的參數與電流之間的相關性進行分析,結果如表2所示.

從表2可以看出,隨著電流的逐漸增大,1/f噪聲和g-r噪聲的幅值B與電流I之間的相關性越來越大,這與圖5及文獻中的結論是一致的.圖7對測試LED的電流噪聲PSD漲落SI/I2與電流I之間的相關性進行了分析.從整個測試電流的范圍來看,SI/I2與電流I之間呈二次函數的關系,但是在高電流范圍內(電流大于10 mA時),兩者之間具有良好的線性關系,這與文獻[23,24]中的結論是一致的.即在低電流階段,LED中的低頻噪聲主要來自于g-r噪聲,隨著電流的增大,1/f噪聲逐漸成為低頻噪聲中的主要起源.

圖7 電流噪聲PSD漲落SI/I2與電流I之間的關系演變Fig.7.Fluctuation evolution relationships of current PSD SI/I2 and currentI.

4 結 論

本文對LED的電流噪聲進行了測試,電流范圍為0.1—180 mA.根據電流噪聲的特點,結合LED中載流子的產生-復合機制,通過對低頻電流噪聲PSD的擬合,探討了高電流注入下LED的載流子產生與復合機制.結果表明,隨著電流從0.1 mA逐漸增大到27 mA,LED中的電流噪聲具有低頻g-r噪聲的特性;當電流逐漸增大到50 mA時,電流噪聲的行為開始接近于低頻1/f噪聲.根據載流子的復合機制,結合LED中低頻噪聲的結電流模型,從理論上分析了LED在高電流注入時的轉折頻率的變化規律.本文的結果提供了一種表征InGaN/GaN MQW LED發光機制轉變的有效手段,為提高其發光量子效率提供理論依據.