基于GaN 微米陣列結構的單芯片白光LED 有源區(qū)InGaN/GaN 多量子阱結構設計

王永嘉，楊 旭，2，李金釵，2*，黃 凱，2*，康俊勇

（1. 廈門大學物理學系，微納光電子材料與器件教育部工程研究中心，福建省半導體材料及應用重點實驗室，半導體光電材料及其高效轉(zhuǎn)換器件協(xié)同創(chuàng)新中心，福建廈門 361005；2.廈門市未來顯示技術研究院 嘉庚創(chuàng)新實驗室，福建 廈門 361005）

1 引 言

Ⅲ族氮化物具有禁帶寬度大、電子漂移飽和速度高、介電常數(shù)小、導熱性能好、物理化學性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點，特別是三元合金InGaN，通過調(diào)節(jié)合金中In 的組分，可實現(xiàn)禁帶寬度從0.7～3.4 eV連續(xù)可調(diào)，對應的吸收光譜從紫外波段（365 nm）可以一直延伸到近紅外波段（1 770 nm），覆蓋整個可見光范圍，成為新一代固態(tài)照明的優(yōu)選材料[1-3]。目前，商用白光發(fā)光二極管（LED）普遍以藍光LED 激發(fā)黃色熒光粉的技術方案為主，其制作工藝成熟且成本較低，但其光譜中缺失藍綠光和深紅光光譜，與自然白光光譜差異較大，導致顯色指數(shù)不高，難以滿足高品質(zhì)照明的需求[4-5]。同時，降低了白光LED 的壽命和穩(wěn)定性。因此，在追求高效率的基礎上，開發(fā)具有高顯色性的無熒光粉全光譜白光LED 成為了國際半導體照明發(fā)展的新趨勢[6-7]。在c面上堆疊多波長量子阱或量子阱堆疊量子點是實現(xiàn)單芯片白光發(fā)射的直接途徑[8]，該方法存在開啟電壓增大、載流子注入不均勻以及長波長發(fā)光峰比例隨電流增大而飽和等現(xiàn)象。core-shell 型納米柱結構是實現(xiàn)單芯片白光的另一方法[9-10]，該方法主要利用In 原子并入效率、InGaN 生長速率隨納米柱的尺寸、間距、高度等發(fā)生變化這一特點，從而獲得不同組分、不同厚度的InGaN/GaN 量子阱有源區(qū)，但其外延生長動力學復雜且不同波段發(fā)光光譜比例難以調(diào)制。近年來，研究者們嘗試采用選區(qū)外延（SAE）技術或刻蝕技術生長出金字塔形、條紋形、棱臺形等具有多種晶面的GaN 微納結構，為單芯片無熒光粉白光LED 提供了制備新途徑[11]。例如，中科院半導體所研究團隊采用納米小球掩膜光刻法結合二次側(cè)向外延（ELO）生長，獲得有序六角棱臺形納米島陣列，并結合量子點實現(xiàn)了顯色指數(shù)從71.2～87.2 可調(diào)的單芯片白光LED[12]；日本京都大學研究組采用條紋掩膜圖案實現(xiàn)了{0001}極性面（c）和{1122}半極性面生長，制備出由460～480 nm 藍光發(fā)光峰和570 nm 的黃綠發(fā)光峰混合而成的白光LED[13]；南京大學研究團隊采用交叉條紋掩膜圖案，制備出具有{1122}、{2133}以及{1101}三種半極性面的微米陣列結構，并實現(xiàn)了涵蓋400～650 nm 的寬光譜發(fā)射[14]。上述方法主要利用Ⅲ族氮化物材料在不同極性面上的生長速率和極化強度等差異，使得所生長的量子阱厚度和極化場強各不相同，從而獲得雙波長或者多波長的發(fā)射光譜。該技術方案的關鍵所在為如何有效調(diào)控各極性面的發(fā)光波長和發(fā)光面積，以實現(xiàn)全光譜白光。理論上，所生長的極性面種類越多，其混合發(fā)光的光譜波長涵蓋范圍越寬。然而，其外延生長動力學將變得復雜使得不同發(fā)光波段的光譜比例難以調(diào)制。為此，本文選取目前生長技術最為成熟的c面和采用SAE 技術最容易實現(xiàn)的{1011}和{1122}半極性面為研究對象，通過模擬仿真，首先設計并優(yōu)化具有雙波長堆疊的c面InGaN/GaN 多量子阱（MQWs）有源層結構，通過調(diào)節(jié)InGaN 阱層厚度和GaN 壘厚層厚度，實現(xiàn)雙波長發(fā)光；進而考察在相同外延條件下生長的半極性面InGaN/GaN 堆疊量子阱LED 的發(fā)光特性。在此基礎上，提出基于多波長堆疊InGaN/GaN 多量子阱結構的c面及{1011}和{1122}半極性面混合的單芯片白光LED設計方案。

2 c 面InGaN/GaN 堆疊量子阱結構優(yōu)化設計

一般而言，將不同In 組分InGaN 量子阱堆疊起來即可實現(xiàn)多波長發(fā)光。然而，由于c面Ⅲ族氮化物具有強極化效應且氮化物LED 中電子和空穴非對稱注入，往往使得LED 中有源層多量子阱結構中載流子分布不均勻[15-16]。因此，要通過堆疊量子阱實現(xiàn)多波長發(fā)光，其關鍵問題為如何使電子和空穴在有源層多量子阱結構中均勻分布。本文首先采用Crosslight Software Inc. 設計的APSYS（Advanced physical models of semiconductor devices）軟件對雙波長堆疊的InGaN/GaN MQWs LED 進行優(yōu)化設計。

所構建的雙波長堆疊InGaN/GaN MQWs LED模型如圖1 所示。自下而上分別為：100 μm 厚的c面藍寶石襯底，摻雜濃度為5×1018cm-3的3 μm厚n 型GaN，5 個周期的InGaN/GaN MQWs，18 nm厚p 型Al0.75Ga0.25N 電子阻擋層（EBL），摻雜濃度為1.2×1018cm-3的15 nm 厚p 型GaN。5 個周期的In-GaN/GaN MQWs 自下而上分別為2 個In0.2Ga0.8N藍光量子阱和3 個In0.3Ga0.7N 綠光量子阱，如圖1右側(cè)所示。器件寬度為200 μm，相關參數(shù)設置符合商業(yè)化GaN 基LED 典型數(shù)值。在模擬計算中，溫度設為300 K。俄歇復合系數(shù)設為1×1034cm6/s，Shockley-Read-Hall（SRH）復 合 壽 命 設 為100 ns，以上數(shù)據(jù)均來源于相關文獻及實驗數(shù)據(jù)[17-18]。此外，仿真中包含自發(fā)極化電荷模型和壓電極化電荷模型，采用Fiorentini 等提出的方法計算了In-GaN/GaN 和AlGaN/GaN 界面極化電場引起的總內(nèi)置電荷密度，不同晶面的極化電荷密度和有效質(zhì)量由完整的6×6 k.p 模型重新設置[19]。

圖1 雙波長堆疊InGaN/GaN MQWs LED 模型結構Fig.1 Structure of dual-wavelength stacked InGaN/GaN MQWs LED

首先考察量子阱厚度對載流子分布的影響。圖2（a）～（c）為固定壘層厚度為10 nm，量子阱厚度分別在1，2，3 nm 時的載流子分布圖。其中，藍色實線為電子濃度，紅色實線為空穴濃度，左側(cè)為靠近n 型側(cè)，右側(cè)為靠近p 型側(cè)，將靠近n 型側(cè)的量子阱命名為第一個量子阱（1st QW），依此排序，靠近p 型側(cè)的量子阱命名為第五個量子阱（5th QW）。由圖可見，在三種結構中，由于電子遷移率較大，電子濃度分布總體較為均勻；而空穴濃度分布則存在顯著的差異，靠近p 型側(cè)的綠光量子阱區(qū)中空穴濃度比靠近n 型側(cè)的藍光量子阱高了近2 個數(shù)量級。當量子阱厚度增加時，空穴濃度分布發(fā)生較大的變化，空穴濃度值整體隨量子阱厚度增加而逐漸升高，并且，越靠近n 型側(cè)的藍光量子阱中的空穴濃度上升得越快。如圖所示，當量子阱厚度從1 nm 增加至3 nm 時，1st QW 中空穴濃度增加了近3 個數(shù)量級，而5th QW 中僅增加1 個數(shù)量級。圖2（d）～（f）為100 A/cm2注入下不同量子阱厚度LED 的輻射復合率分布圖，從圖中可以看出，1st QW 和2nd QW 中的輻射復合率隨阱厚增大而逐漸上升，結合載流子分布圖，量子阱厚度增加時，這2 個量子阱中空穴濃度逐漸上升，與電子濃度逐漸匹配，進而導致輻射復合率增加。這些結果表明，量子阱厚度增大，有利于空穴向n型層方向注入，從而使得載流子在有源區(qū)中分布得更為均勻，有望實現(xiàn)多波長發(fā)光。

圖2 具有不同阱層厚度的雙波長堆疊InGaN/GaN MQWs LED 載流子分布圖（（a）～（c））和輻射復合率分布圖（（d）～（f））Fig.2 Carrier distribution（（a）-（c））and radiative recombination rate（（d）-（f））of dual-wavelength stacked InGaN/GaN MQWs LED with different QW layer thicknesses

圖3 為100 A/cm2電流密度注入下c面不同In-GaN 量子阱厚度LED 電致發(fā)光譜（EL）圖。由圖3可見，與前文預期一致，當量子阱厚度為1 nm 時，只呈現(xiàn)中心波長位于429 nm 的發(fā)光峰；隨著量子阱厚度增大，載流子分布趨于均勻，發(fā)光光譜呈現(xiàn)雙峰結構，分別為來自于藍光量子阱的短波長次發(fā)光峰和來自于綠光量子阱的長波長主發(fā)光峰。值得一提的是，來自于綠光量子阱的主發(fā)光峰隨著阱厚由1 nm 增大至3 nm 時，其中心波長由429 nm 顯著紅移至540 nm，紅移量達111 nm 之多；而來自于藍光量子阱的次發(fā)光峰隨著阱厚由2 nm增大至3 nm 時，其中心波長紅移量相對較小，約為22 nm。研究表明，在極化場作用下的基態(tài)量子能級躍遷能量與極化場強度、量子阱厚度等參數(shù)密切相關，如下式所示[20]：

圖3 具有不同阱層厚度的雙波長堆疊InGaN/GaN MQWs LED 電致發(fā)光光譜Fig.3 Electroluminescence spectra of dual-wavelength stacked InGaN/GaN MQWs LED with different QW layer thicknesses

其中Eg為InGaN 的禁帶寬度，F(xiàn)w和Lw分別為阱區(qū)的極化場和厚度，m*為電子或者空穴的有效質(zhì)量。通過計算電場強度分布可知，上述綠光和藍光量子阱中的平均極化場強分別約為2.3 MV/cm 和1.4 MV/cm。結合公式（1）計算可得，當綠光和藍光量子阱厚度分別增加1 nm 時，其基態(tài)量子能級躍遷能量將分別減小0.23 eV 和0.14 eV，與上述波長紅移量一致。由此說明，波長隨阱厚變化可歸因于極化場作用下的量子限制效應。

上述分析結果表明，當量子阱厚度增加至3 nm時，次峰積分強度與主峰積分強度之比可提高至18.2%，但依然無法滿足單芯片白光LED 的要求。因此，我們進一步固定InGaN量子阱厚度為3 nm，考察壘層厚度對載流子分布乃至發(fā)光性質(zhì)的影響。圖4（a）～（d）為不同GaN壘層厚度LED在100 A/cm2注入下的載流子分布圖。同樣地，隨著壘層厚度增加，電子濃度分布變化不大；但1st QW 和2nd QW 中的空穴濃度逐漸增大，而4th QW 和5th QW 中的空穴濃度隨著壘厚增加而逐漸減小，也就是說整個有源區(qū)內(nèi)的空穴濃度分布趨于均勻化。此外，不論是藍光量子阱還是綠光量子阱區(qū)，其電子濃度和空穴濃度空間分離現(xiàn)象均隨壘厚增大而略微增強，這一現(xiàn)象可歸因于壘層增厚導致量子阱層中的極化電場增強，如圖4（e）～（h）所示。而值得一提的是，隨著壘層厚度增大，量子壘層中的極化電場反而逐漸減小，與文獻報道一致[21]。由圖4（e）～（h）可見，當壘層厚度由9 nm 增加至12 nm 時，綠光量子壘層中的極化電場強度降低了0.32～0.34 MV/cm，高于藍光量子壘層中的極化電場強度的變化量（0.14～0.17 MV/cm）。研究表明，載流子輸運不僅與載流子的遷移率有關，還與能帶結構密切相關[22]。壘層中的極化電場強度降低意味著載流子從一個阱層傳輸至下一個阱層所需跨越的有效勢壘將降低。為此，我們考察了相應的價帶能帶結構圖，如圖5所示，圖中實線為價帶帶邊（Valence band），虛線為準費米能級（Quasi-fermi level），價帶帶邊與準費米能級的能量間距即為上文所述的有效勢壘，圖中由ΔEv表示。由圖5 可見，壘層中極化場強降低使其價帶帶邊彎曲程度顯著減小，從而導致ΔEv顯著減小。例如，當壘厚由9 nm 增加至12 nm 時，空穴跨越第五個量子壘所需克服的勢壘ΔEv5由0.77 eV 大幅降低至0.53 eV。最終使得空穴更容易往靠近n型側(cè)的量子阱傳輸。隨著空穴濃度的增加，1st QW 和2nd QW 中 輻 射 復 合 率增 大；而4th QW 和5th QW 中輻射復合率則在空穴濃度降低和極化場強增大的雙重作用下急劇減小，如圖4（i）～（l）所示。

圖4 具有不同壘層厚度的雙波長堆疊InGaN/GaN MQWs LED 載流子分布圖（（a）～（d））、電場分布圖（（e）～（h））以及輻射復合率分布圖（（i）～（l））。Fig.4 Carrier distribution（（a）-（d）），electric field distribution（（e）-（h））and radiative recombination rate（（i）-（l））of dualwavelength stacked InGaN/GaN MQWs LED with different QB layer thicknesses.

圖5 具有不同壘層厚度的雙波長堆疊InGaN/GaN MQWs LED 價帶結構圖Fig.5 Valence band diagram of dual-wavelength stacked InGaN/GaN MQWs LED with different QB layer thicknesses

進一步計算其電致發(fā)光譜發(fā)現(xiàn)，隨著壘厚增大，來自于藍光量子阱的短波長次發(fā)光峰強度逐漸增大，而來自于綠光量子阱的長波長主發(fā)光峰強度則逐漸減小，如圖6 所示。當壘層厚度由9 nm 增加至11 nm 時，二者的積分強度比由8.3%逐漸增加至37.9%；而在壘層厚度為12 nm 時，短波長發(fā)光峰強度超過長波長的，積分強度比為121.6%。如前文所述，這一顯著變化主要由4th QW 和5th QW 中空穴濃度降低和極化場強增大的雙重作用所引起。特別是壘厚為12 nm 的結構，空穴濃度最高的3th QW 阱層中，其極化場強度相對于壘厚為9 nm 結構增強了約0.27 MV/cm，而壘厚為11 nm 結構中變化量僅約為0.08 MV/cm。此外，由于量子阱層中極化場強度隨壘厚增加而增大，使得短波長和長波長發(fā)光峰均發(fā)生了紅移，其波長分別由445 nm 紅移至456 nm，由529 nm 紅移至546 nm。

圖6 具有不同壘層厚度的雙波長堆疊InGaN/GaN MQWs LED 電致發(fā)光光譜Fig.6 Electroluminescence spectra ofdual-wavelength stacked InGaN/GaN MQWs LED with different QB layer thicknesses

綜上所述，通過調(diào)節(jié)雙波長堆疊的InGaN 多量子阱的阱層和壘層厚度，可調(diào)控載流子特別是空穴在量子阱有源區(qū)的分布，實現(xiàn)雙波長發(fā)光峰比例調(diào)制。其中，當阱厚為3 nm、壘厚為11 nm時，各個量子阱的輻射復合率較為接近，短波長次峰與長波長主峰積分強度比為37.9%。因此，下文中我們將以該結構為基礎進行單芯片白光LED的結構設計。

3 基于多波長堆疊InGaN/GaN 多量子阱結構的單芯片白光LED 設計

不同極性面的表面懸掛鍵密度差異導致其生長速率不同，表1 總結了不同半極性面與c面之間的夾角、生長速率以及極化電場強度[23]。從表1中可以看出，在相同外延條件下，在半極性或非極性面上外延的量子阱，其阱和壘厚度都將比c面上外延的薄，極化電場也較小。根據(jù)前文分析，更薄的阱壘結構和較低的極化電場都將使得發(fā)光波長藍移。因此，需將c面量子阱In 組分調(diào)高至紅、綠光波段，以便將其與半極性或非極性面的短波長發(fā)光混合實現(xiàn)白光發(fā)射。在下文的模擬設計中，c面多量子阱結構設置為由2 個In0.3Ga0.7N/GaN 綠光量子阱和3 個In0.4Ga0.6N/GaN 紅光量子阱堆疊而成，其中阱層厚度均為3 nm，壘層厚度均為11 nm。進而根據(jù)表1 中各晶面的生長速率設置各晶面量子結構的阱壘厚度，以考察在相同生長條件下各晶面量子阱結構的發(fā)光特性。

表1 不同晶面與c 面夾角、生長速率、極化電場關系以及相同外延生長條件下的阱和壘厚度Tab.1 Angles，growth rate，polarization electric field，QW and QB thicknesses under the same epitaxial growth conditions of different semipolar planes and c-plane

圖7（a）為相同外延條件下，不同晶面上的In-GaN/GaN 多量子阱結構LED 的光致發(fā)光光譜。從圖中可見，c面呈現(xiàn)雙波長發(fā)光，其中心波長分別位于534 nm 和671 nm；由載流子分布和輻射復合率分布（圖7（b）～（c））可知，二者分別來源于In0.3Ga0.7N/GaN 量子阱和In0.4Ga0.6N/GaN 量子阱。而由于半極性面量子阱的阱壘厚度變薄，其空穴主要分布于In0.4Ga0.6N/GaN 量子阱中（圖7（d）～（e）），使得半極性面LED 都基本只有一個發(fā)光峰。此外，如前文分析，在薄量子阱和低極化場作用下，發(fā)光波長發(fā)生藍移。由圖7（a）可見，在相同外延生長條件下，{1011}面上生長的量子阱發(fā)光波長最短，其中心波長位于445 nm 左右。

圖7 （a）相同注入下各晶面發(fā)光光譜；（b）～（c）c 面LED 載流子及電場分布；（d）～（e）半極性面LED 載流子及電場分布。Fig.7 （a）Electroluminescence spectra of LED on different facets under the same injection.（b）-（c）Carrier and electric field distribution of LED on c-plane.（d）-（e）Carrier and electric field distribution of LED on semipolar plane.

上述結果表明，在相同條件下外延生長具有不同晶面的多波長堆疊InGaN 量子阱結構，其發(fā)光光譜可覆蓋RGB 三色波段。若在外延生長時，通過掩膜圖形調(diào)節(jié)所生長晶面的面積比例，即可混合形成白光。為驗證其可行性，我們選取目前生長技術最為成熟的c面和采用SAE 技術最容易實現(xiàn)的{1011}和{1122}半極性面進行組合。此外，由于圖7（a）所示光譜中依然缺少550 ～600 nm 黃光波段，我們進一步優(yōu)化量子阱結構，將多量子阱結構設 置 為 由1 個In0.3Ga0.7N/GaN 量子阱、1 個In0.35Ga0.65N/GaN 量子阱以及3 個In0.4Ga0.6N/GaN 量子阱堆疊而成，其余結構參數(shù)不變。圖8（a）～（b）顯示了由{1011}和{1122}分別與c面按發(fā)光面積比為1∶1. 5 組合而成的EL 譜，光譜覆蓋了大部分可見光波段，其中藍光發(fā)光峰來自于半極性面量子阱，而位于530，600，680 nm 左右的發(fā)光峰則分別 來 自 于 組 分 為0. 3，0. 35，0. 4 的c面InGaN/GaN 量子阱。兩個光譜在CIE 1931 色度圖中的坐標分別為（0. 32, 0. 33）和（0. 32, 0. 36），色溫均為6 000 K。研究表明，通過控制掩模圖形、窗口尺寸以及外延條件，可控制半極性面與c面的面積比[24-25]。例如，采用條紋形掩膜圖案，生長出底面為40 μm、高度為8.66 μm 的條紋型微米陣列結構，或采用圓孔型掩模圖案，生長出底面為7.56 μm、高度為0.28 μm 的棱臺型微米陣列結構，即可 獲得{0001}∶{1011}或者{1122}面積比為1.5∶1 的單芯片白光LED，如圖8（a）～（b）中插圖所示。圖8（c）顯示了面積比由1∶1 提高至3∶1時，所混合而成的白光光譜在CIE 1931 色度圖中的坐標。從圖中可見，通過調(diào)節(jié)c面發(fā)光光譜在混合光譜中的比例，兩種方案均可獲得色溫從9 000～4 500 K 可調(diào)的白光。進而比較其顯色指數(shù)（CRI）變化趨勢，如圖8（d）所示，當面積比由1提高至3 時，二者的CRI 均先增大后減小，在面積比為1.5 左右時CRI 值最高。并且，值得一提的是，由{1122}與c面混合的白光光譜顯色指數(shù)均遠高于{1011}與c面混合的白光光譜，CRI 值最高達91.3。上述結果表明，通過SAE 技術生長出同時具有{1122}面和c面的微米陣列多波長堆疊In-GaN/GaN MQWs 結構，有望制備出顯色指數(shù)高于90 的單芯片無熒光粉白光LED。本文的模擬仿真主要以采用SAE 技術最容易實現(xiàn)的{1011}和{1122}半極性面為例進行結構設計，在實際外延生長中，所生長的半極性面將會隨著外延條件和掩膜圖案的變化而改變，在確定可獲得的晶面類型組合情況下，可進一步通過上述模擬設計方法相應地調(diào)整各晶面面積比，為實現(xiàn)高顯色指數(shù)單芯片白光LED 設計提供指導。

圖8 ｛1011｝面（a）和｛1122｝面（b）分別與c 面按發(fā)光面積比為1∶1.5 的混合EL 譜；不同比例半極性面與c 面混合光譜的CIE 1931 色度圖（c）和顯色指數(shù)變化趨勢（d）。（a）和（b）插圖分別為實驗設計條紋微米結構橫截面圖與棱臺微米柱結構俯視圖。Fig.8 Mixed EL spectra of｛1011｝plane（a），｛1122｝plane（b）and c plane with a ratio of 1∶1.5. CIE 1931 chromaticity diagram（c）and color rendering index（d）of different proportions of semipolar plane and c plane mixed illumination. The insets in（a）-（b）are the cross-sectional view of the experimental design of the fringe structure and the top view of the prismatic structure，respectively.

4 結 論

本文通過APSYS 模擬仿真，研究了不同阱、壘厚度對c面InGaN/GaN 雙波長堆疊多量子阱LED 發(fā)光特性的影響。結果表明，量子阱和壘的厚度增大，有利于空穴向n 型層方向注入，從而使得載流子在有源區(qū)中分布得更為均勻。當阱厚為3 nm、壘厚為11 nm 時，可實現(xiàn)短波長次峰與長波長主峰積分強度比為37.9%的雙波長發(fā)光。進而考察在相同外延條件下生長的半極性面In-GaN/GaN 堆疊量子阱LED 的發(fā)光特性，分析發(fā)現(xiàn)，在薄量子阱和低極化場作用下，空穴主要分布于靠近p 型側(cè)的量子阱中，使其僅呈現(xiàn)單個發(fā)光峰，且發(fā)光波長發(fā)生藍移。其中，{1011}面上生長的量子阱發(fā)光波長最短，其中心波長位于445 nm左右。在此基礎上，提出基于多波長堆疊InGaN/GaN 多量 子 阱 結 構 的c面和{1011}或{1122}半 極 性面混合的單芯片白光LED 設計方案，通過調(diào)節(jié)c面發(fā)光光譜在混合光譜中的比例，可獲得光譜覆蓋大部分可見光波段、色溫從4 500～9 000 K 可調(diào)、顯色指數(shù)最高達91.3 的白光，為實現(xiàn)高顯色指數(shù)的單芯片無熒光粉白光LED 提供了有效的設計方案。

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