載流子復合機制對InGaN綠光LED的Droop效應和調制帶寬的影響

趙勇兵，錢晨辰

(鹽城師范學院 物理與電子工程學院，江蘇 鹽城 224007)

引言

InGaN基發光二極管(LED)已經廣泛應用于很多領域，比如通用照明、LCD背光、戶外顯示屏、汽車照明、景觀照明等[1，2]。氮化物半導體材料的禁帶寬度從1.9eV到6.2eV之間連續可調，理論上可以發射紫外到紅光整個光譜[3]。InGaN基LED的內量子效率(IQE)隨著驅動電流的增大而快速下降，這就是文獻中報道的Droop效應[4]。迄今為止，科研人員提出了不同的理論來解釋Droop效應，比如俄歇復合[5]、電子泄漏[6]、空穴注入不足[7]等。另外，同GaN基藍光LED相比，長波長的InGaN綠光LED的Droop效應更加嚴重[8]。文獻中報道了俄歇復合是引起Droop效應的主要原因[9]。傳統的ABC模型被廣泛應用于研究InGaN量子阱中的載流子復合動態過程。在這個模型中，內量子效率IQE=Bn2/(An+Bn2+Cn3),其中參數A為Shockley-Read-Hall(SRH),參數B為輻射復合系數，參數C為俄歇復合系數[10-14]。

InGaN基LED不僅在照明顯示領域廣泛應用，其作為光電子器件，還可以實現可見光無線通信[15]。同傳統的無線通信技術相比，可見光通信具有安全性高、無電磁干擾、成本低等優點。LED器件的調制速率決定能否實現高速可見光通信，其調制速率與LED器件的載流子復合壽命以及電容有關[16]。借助于InGaN量子阱中的傳統的載流子復合ABC模型計算載流子復合速率和載流子復合壽命，分析3db調制帶寬與載流子復合機制的關系[17，18]。

本文主要研究載流子復合機制對 InGaN 綠光LED的Droop效應和調制帶寬的影響。基于InGaN量子阱中傳統的ABC模型，研究綠光LED在不同的有效有源區厚度下，IQE隨注入電流的變化趨勢；分析綠光LED在不同的有效有源區厚度下，載流子濃度隨注入電流的變化；研究綠光LED在不同的量子阱寬度下，IQE隨注入電流的變化；分析綠化LED在不同的有效有源區體積下，俄歇復合損耗隨注入電流的變化；研究綠光LED在不同的注入電流下，Droop效應隨有效有源區厚度的變化。同時，研究綠光LED在不同的有效有源區厚度下，3db調制帶寬隨注入電流的變化趨勢；研究綠光LED在不同的量子阱寬度下，3db調制帶寬隨注入電流的變化趨勢。

1 實驗

本論文研究采用我們以前研究中的實驗樣品[19]。實驗樣品為采用MOCVD技術在C面(0001)PSS襯底上外延生長的InGaN基綠色LED。三甲基鎵(TMGa)、三乙基鎵(TEGa)、三甲基銦(TMIn)、氨氣(NH3)、硅烷(SiH4)和環戊二烯(Cp2Mg)作為前驅體和摻雜劑。實驗樣品的外延結構由30 nm的低溫GaN成核層、4μm非摻雜GaN層、3μm硅摻雜GaN層、12對In0.08Ga0.92N/GaN(2 nm/7 nm)層、16對In0.25Ga0.75N量子阱/GaN量子壘(3 nm/12 nm)，3 nm未摻雜AlGaN1層，40 nm Mg摻雜pGaN(pGaN1)，16 nm p型AlGaN電子阻擋層(AlGaN2)，200 nm的pGaN(pGaN2)、15 nm的Mg重摻雜p+GaN和2 nm的p-InGaN層。采用平面結構工藝制備InGaN基綠光LED，ITO和Cr/Al/Cr/Pt/Au金屬分別為P電極和N電極的歐姆接觸，二氧化硅作為器件的鈍化保護層，器件的尺寸為20×40 mil2(0.5 mm2)。

2 分析與討論

在傳統的ABC模型中，內量子效率IQE的公式如下[10-12]：

(1)

同時，IQE的一階近似的表達式如下[10-12]：

IQE=VacBn2/(I/q)

(2)

其中Vac是器件的有源區體積，B是輻射復合系數，n是器件的有源區內的載流子密度，I是注入有源區的電流，q是基本的電子電量。

文獻中研究經常假設載流子在量子阱有源區均勻分布的，實際上是不均勻分布的，通過局限于富In區域[20]，特別是長波長的InGaN綠光LED，這就導致了實際的有效有源區體積(Veff)比物理體積(Vac)要小得多。在我們先前的研究中[11]，在設計的3 nm量子阱中，InGaN綠光LED的有效有源區厚度僅為0.24 nm，載流子濃度的實際值遠遠大于計算的數值。

因此，量子阱有源區中載流子濃度的表達式如下[10-12]：

(3)

在我們先前的報道中[19]，527 nm的InGaN綠光LED器件實現了53.3%的峰值外量子效率EQE，但是當器件的注入電流密度達到40A/cm2時，EQE僅為31.4%，即EQE下降了41%，如果要實現更高工作電流密度，EQE將會更加顯著下降。在PSS襯底上制備的InGaN綠光LED的光提取效率LEE通常設定為0.8，IQE=EQE/LEE[11]。我們先前報道的527 nm的InGaN綠光LED器件的EQE和IQE數據如表1所示。

表1 InGaN綠光LED的EQE和IQE[19]Table 1 EQE and IQE of InGaN Green LEDs

在我們以前的研究報道中[11]，量子阱厚度為3 nm的InGaN綠光LED的有效有源區厚度Deff僅為0.24 nm，在接下來的ABC模型參數計算中，我們將Veff設定為1.2×10-10cm3。將表1中的數據代入公式(1)和(3)中，通過理論計算，得到ABC模型參數數值，A、B、C分別為1.36×107s-1、3×10-11cm3s-1、3.89×10-30cm6s-1。

通過理論計算，圖1(a)為在不同有效有源區厚度Deff(0.24～3 nm)下，IQE隨注入電流的變化趨勢，圖1(b)為在不同的量子阱層QW厚度(3 nm、4.5 nm、6 nm)下，IQE隨注入電流的變化。隨著有效有源區厚度或者量子阱層厚度的增加，在注入電流增大時，IQE下降趨勢變緩，Droop效應的拐點電流明顯增加，主要原因在于降低了有源區中載流子的濃度。然而，在C面藍寶石襯底上生長厚的InGaN量子阱是一個巨大的挑戰，厚的InGaN量子阱導致壓電場強度增大，引起更強烈的量子限制斯塔克效應(QCSE)，以及更低的電子空穴波函數的重疊，這也在我們先前的研究報道中得到證實[12]，最后一個量子阱采用厚的量子阱生長工藝，實現了InGaN藍光LED的Droop效應的下降趨勢變緩，但是在實驗中發現，器件的峰值IQE同窄的量子阱器件相比，下降非常明顯，對于長波長的InGaN綠光LED，要生長厚的高In組分的量子阱工藝難度更大。

圖1(a) 在不同有效有源區厚度Deff下，內量子效率IQE隨注入電流的變化趨勢Fig.1(a) Curve:The internal quantum efficiency (IQE)varies with the injection current at different effective active region thickness圖1(b) 在不同的量子阱層QW厚度下，內量子效率IQE隨注入電流的變化Fig.1(b) Curve:The internal quantum efficiency (IQE)varies with the injection current at different thickness of quantum well layer

通過理論計算，圖2顯示了在不同的注入電流下，Droop效應下降率隨著有效有源區厚度的變化。可以看出，在不同的注入電流下，隨著有效有源區厚度的下降，Droop效應下降非常明顯。為了進一步研究Droop效應的機制，圖3為載流子濃度隨注入電流變化的曲線圖。由圖3可以看出，隨著有效有源區厚度的減小，載流子濃度隨著注入電流的增大而顯著提高。在特定的注入電流下，隨著有效有源區厚度的減小，載流子濃度明顯增大，原因主要是載流子的局域化效應。由于In組分在InGaN量子阱中分布是非常不均勻的，載流子主要集中在富In區域，特別是長波長的高In組分的InGaN綠光LED，這導致富In組分的綠光LED的有效有源區厚度非常小，從而引起有源區中載流子濃度的增大。隨著注入電流的進一步增大，由于更強的載流子局域化效應而導致的載流子濃度的快速升高，引起更高的俄歇復合損耗，從而加劇Droop效應。圖4所示為在不同的有效有源區厚度下，俄歇復合損失比隨注入電流的變化趨勢。由圖4可以看出，俄歇復合損失比非常依賴于有效有源區的厚度。在低注入電流下，俄歇復合損失比隨著注入電流增大而快速上升，在大的注入電流下，俄歇復合損失比接近于飽和狀態，上升速率很慢。隨著有效有源區的厚度下降，俄歇復合損失比上升，主要歸結于載流子濃度的快速上升。

圖2 在不同的注入電流下，Droop效應下降率隨著有效有源區厚度的變化Fig.2 Curve:The drop rate of droop efficiency varies with the thickness of active region under different injection current

圖3 載流子濃度隨注入電流變化Fig.3 Curve:The carrier concentration varies with the injection current

圖4 在不同的有效有源區厚度下，俄歇復合損失比隨注入電流的變化Fig.4 Curve:The Auger recombination loss ratio varies with the injection current at different effective active region thickness

借助于InGaN量子阱中的傳統的載流子復合ABC模型，載流子復合速率表達式如下[18]：

R(n)=An+Bn2+Cn3

(4)

載流子復合壽命與復合速率的表達式如下[18]：

(5)

LED的調制帶寬與載流子復合壽命的表達式如下[17，18]:

(6)

將公式(4)和(5)代入公式(6)，表達式如下[18]：

(7)

通過理論計算，圖5(a)為在不同有效有源區厚度Deff(0.24～3 nm)下，綠光LED的調制帶寬隨注入電流的變化趨勢，圖5(b)為在不同的量子阱層QW厚度(3 nm、4.5 nm、6 nm)下，綠光LED的調制帶寬隨注入電流的變化。由圖5(a)可以看出，隨著注入電流的增大，調制帶寬明顯增大，這與載流子濃度n有關；在相同的注入電流下，隨著有效有源區厚度的增加，調制帶寬明顯下降，在500 mA的注入電流下，調制帶寬從684 MHz下降到85 MHz。由圖5(b)可以看出，在相同的注入電流下，隨著InGaN量子阱寬度的增加，調制帶寬有所下降，在500 mA注入電流下，調制帶寬從684 MHz下降到372 MHz。為了提高LED的調制帶寬，盡可能的降低有效有源區厚度或者降低量子阱的厚度，這與降低綠光LED的Droop效應是相矛盾的。

圖5(a) 在不同有效有源區厚度Deff下，綠光LED的調制帶寬隨注入電流的變化Fig.5(a) Curve:The modulation bandwidth of green LED varies with the injection current under different effective active region thickness圖5(b) 在不同的量子阱層QW厚度下，綠光LED的調制帶寬隨注入電流的變化Fig.5(b) Curve:The modulation bandwidth of green LED varies with the injection current at different quantum well layer thickness

3 結論

從實驗樣品中分析數據，提取綠光LED的ABC模型參數。基于ABC模型，經過理論計算，隨著有效有源區厚度或者量子阱層厚度的增加，在注入電流增大時，內量子效率IQE下降趨勢變緩，Droop效應的拐點電流明顯增加；在不同的注入電流下，隨著有效有源區厚度的下降，Droop效應下降非常明顯。在低注入電流下，俄歇復合損失比隨著注入電流增大而快速上升；在高注入電流下，俄歇復合損失比接近于飽和狀態，上升速率很慢。隨著有效有源區的厚度下降，俄歇復合損失比上升。隨著注入電流的增大，綠光LED的調制帶寬明顯增大。在相同的注入電流下，隨著有效有源區厚度的增加，調制帶寬明顯下降；在500 mA的注入電流下，調制帶寬從684 MHz下降到85 MHz。在相同的注入電流下，隨著InGaN量子阱寬度的增加，調制帶寬有所下降；在500 mA注入電流下，調制帶寬從684 MHz下降到372 MHz。