三明治結(jié)構(gòu)電子阻擋層中勢阱深度對LED 性能的影響

章敏杰 ，梅 霆，2* ，王乃印，朱 凝，2，王達(dá)飛，李 浩，文 潔

(1.華南師范大學(xué)光電子材料與技術(shù)研究所 微納功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510631;2.中山大學(xué) 光電子材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510275)

1 引 言

近年來，發(fā)光二極管(LED)的性能有了顯著提高，在戶外照明、汽車車燈、背光顯示以及微電子器件方面取得了廣泛的應(yīng)用。但LED 的效率在小電流下達(dá)到飽和，隨著注入電流的進(jìn)一步增大，LED 的發(fā)光效率會急劇下降，這種問題通常被稱為LED 的效率衰減問題，阻礙著LED 在大功率照明方面的應(yīng)用。針對LED 在大電流下衰減的機(jī)制，研究者提出了許多解釋［1-5］，其中電子泄露和空穴注入不足被認(rèn)為是導(dǎo)致LED 效率衰減最重要的原因。

在過去幾年，研究者發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的AlGaN 電子阻擋層不僅無法有效地抑制電子泄露，而且還會阻礙空穴的注入［6-8］。為了改善LED 的性能，研究者設(shè)計(jì)了各種改進(jìn)型的電子阻擋層結(jié)構(gòu)，例如Al 組分漸變的電子阻擋層［9-11］、與GaN 晶格匹配的Al0.18In0.82N 電子阻擋層［12］、AlGaInN 電子阻擋層［13］、AlGaN/GaN 超晶格電子阻擋層［14］等。結(jié)果表明，這些結(jié)構(gòu)都可以明顯地改善LED 的效率衰減問題，但與此同時(shí)，這些電子阻擋層結(jié)構(gòu)在外延生長過程中都存在不小的困難。而在近期，Xia等［15］設(shè)計(jì)了一種在外延工藝中能較為容易實(shí)現(xiàn)的電子阻擋層結(jié)構(gòu)，即在傳統(tǒng)的電子阻擋層結(jié)構(gòu)中插入一個(gè)GaN 勢阱，并重點(diǎn)討論了GaN 勢阱寬度的變化對LED 性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著GaN 勢阱寬度的增加，LED 的光電性能不斷改善。本文在傳統(tǒng)電子阻擋層中插入了一個(gè)寬度為12 nm 的AlxGa1－xN勢阱層，并著重討論了AlxGa1－xN 勢阱深度變化對LED 效率衰減的影響。

2 結(jié)構(gòu)與參數(shù)

本文中樣品結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該器件的幾何尺寸設(shè)計(jì)為300 μm ×300 μm 的正方形結(jié)構(gòu)，生長在c 面藍(lán)寶石襯底上。結(jié)構(gòu)由下至上分別為2.5 μm 厚的u-GaN 緩沖層，2 μm 的n-GaN(n 摻雜濃度為5 ×1018cm－3)，其上的活性層包含6 個(gè)2 nm 厚的In0.16Ga0.84N 阱層以及7 個(gè)15 nm 厚的GaN 壘層，活性層的上方為20 nm 厚的三明治結(jié)構(gòu)作電子阻擋層(4 nm Al0.1Ga0.9N，12 nm AlxGa1－xN，4 nm Al0.1Ga0.9N)，最后為170 nm 厚的p-GaN。

AlGaN 與InGaN 三元合金的禁帶寬度通過如下公式計(jì)算［16］:

其中，Eg(InN)、Eg(AlN)、Eg(GaN)分別為InN、AlN、GaN 的帶隙，并分別取值為0.78，6.25，3.51 eV。LED 器件內(nèi)部吸收均設(shè)置為500 m－1，工作溫度設(shè)定為300 K，俄歇復(fù)合效率設(shè)置為5 ×10－34cm6/s。在模擬中使用的半導(dǎo)體材料的其他參數(shù)可以參照文獻(xiàn)［17］。

圖1 三明治結(jié)構(gòu)電子阻擋層的LED 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of GaN-based LED structures with sandwich EBL.

3 結(jié)果與討論

由于晶格失配，在LED 的最后一個(gè)壘層和電子阻擋層的界面上會產(chǎn)生很大的極化電場，使能帶在最后一個(gè)壘層的區(qū)域嚴(yán)重地向下彎曲，降低了電子阻擋層的有效勢壘高度(圖2(a)和圖3(a))，從而使電子更容易越過電子阻擋層進(jìn)入p區(qū)，同時(shí)也增大了空穴注入有源區(qū)的難度。而引入一個(gè)AlGaN 三明治結(jié)構(gòu)電子阻擋層后，由于Al0.1Ga0.9N 與AlxGa1－xN 的晶格失配，會使電子阻擋層的Al0.1Ga0.9N 層中的電場明顯增加，從而提高電子阻擋層的帶邊;同時(shí)，由于電子阻擋層中電場的增加，在最后一個(gè)壘層中分布的電場在x值從0.1 降為0.02 的過程中，也減少了將近一半，如圖2(b)和圖2(c)所示，因而減輕了最后一個(gè)壘層區(qū)域的能帶彎曲程度，如圖3(b)和圖3(c)所示。因此，隨著x 值從0.1 減小到0.02，電子阻擋層對電子的有效勢壘高度從195 meV(x=0.1)增加到了321 meV(x=0.02)，對空穴的有效勢壘高度則從248 meV 降低到了212 meV。所以，AlGaN 三明治結(jié)構(gòu)電子阻擋層的引入增強(qiáng)了LED 將電子限制在有源區(qū)的能力，同時(shí)LED 的空穴注入效率也得到了很大提高。

圖2 AlxGa1－xN LED 樣品在200 mA 電流下的電場分布圖。(a)x=0.1;(b)x=0.06;(c)x=0.02。Fig.2 Simulated electrostatic fields throughout AlxGa1－xN LEDs under 200 mA forward current.(a)x=0.1.(b)x=0.06.(c)x=0.02.

此外，值得注意的是，在AlGaN 三明治結(jié)構(gòu)電子阻擋層中存在一個(gè)較淺的勢阱，如圖3(b)和圖3(c)所示，而在這些淺勢阱中會發(fā)生較強(qiáng)的空穴聚集效應(yīng)。在注入電流較小時(shí)，空穴聚集效應(yīng)很微弱，可以忽略不計(jì)，但在大電流時(shí)，大量空穴被聚集在這個(gè)勢阱中，如圖4 所示。從圖中可以看到，空穴聚集效應(yīng)隨著x 值的降低而明顯增強(qiáng)，當(dāng)x 值從0.1 降低到0.02 時(shí)，在靠近電子阻擋層與有源區(qū)的界面附近，空穴濃度至少提高了一個(gè)數(shù)量級。這種空穴聚集效應(yīng)將極大地促進(jìn)空穴從電子阻擋層向有源區(qū)的注入。同時(shí)，隨著x 值的降低，p-GaN 層的空穴濃度也呈現(xiàn)出輕微的下降趨勢，這說明更深的勢阱同時(shí)也會促進(jìn)空穴從p型層向電子阻擋層的注入。

圖3 AlxGa1－xN LED 樣品在200 mA 電流下的能帶分布圖。(a)x=0.1;(b)x=0.06;(c)x=0.02。Fig.3 Calculated energy band diagram of AlxGa1－xN LEDs at 200 mA forward current.(a)x=0.1.(b)x=0.06.(c)x=0.02.

圖4 AlxGa1－xN LED 樣品在200 mA 電流下的空穴濃度的對數(shù)分布。(a)x=0.1;(b)x=0.06;(c)x=0.02。Fig.4 Distribution of hole concentrations (log)of AlxGa1－xN LEDs at 200 mA forward current.(a)x=0.1.(b)x=0.06.(c)x=0.02.

這與在200 mA 注入電流下有源區(qū)的空穴分布相對應(yīng)，如圖5(a)所示。為更方便地觀察圖像變化，我們將具有AlGaN 三明治結(jié)構(gòu)電子阻擋層的LED 樣品的數(shù)據(jù)圖像平移了少許。從圖中可以看到，在x 值由0.1 下降到0.02 的過程中，由于更為有效的空穴注入，LED 有源區(qū)的空穴濃度有了顯著變化，特別是在靠近p 型層的量子阱中。200 mA 下3 個(gè)樣品的電子電流分布圖如圖5(b)所示，在x=0.1 時(shí)(傳統(tǒng)的LED)，電子漏電流表現(xiàn)得較為嚴(yán)重;但在引入AlGaN 三明治結(jié)構(gòu)電子阻擋層后，由于更高的有效勢壘高度和更有效的空穴注入，漏電流得到了明顯的改善，更多的電子被限制在有源區(qū)參與復(fù)合發(fā)光。因此，由于更有效的空穴注入和更強(qiáng)的電子限制作用，引入AlGaN三明治結(jié)構(gòu)電子阻擋層的LED 必然呈現(xiàn)出更高的輻射復(fù)合速率，并且勢阱深度越大復(fù)合速率越大，復(fù)合主要發(fā)生在靠近p 型層的量子阱中，如圖5(c)所示。在x 值由0.1 降低至0.02 時(shí)，輻射復(fù)合速率提高了31%。

圖5 在200 mA 電流下，3 個(gè)樣品的有源區(qū)空穴分布(a)、電子電流分布(b)和輻射復(fù)合率分布(c)。Fig.5 Distribution of hole concentration in the active region(a)，electron current density (b)，and radiative recombination rate (c)of the three LEDs at 200 mA.

綜合上文所述的LED 在空穴注入、漏電流、輻射復(fù)合速率等方面的改善，內(nèi)量子效率的提高也就是可以預(yù)期的了。如圖6(a)中的插圖所示，3 個(gè)樣品的內(nèi)量子效率隨著電流增加都呈現(xiàn)出下降的趨勢。傳統(tǒng)的LED(x=0.1)由于嚴(yán)重的電子泄露和不足的空穴注入，效率衰減現(xiàn)象表現(xiàn)得十分明顯。當(dāng)引入AlGaN 三明治結(jié)構(gòu)電子阻擋層后，效率衰減現(xiàn)象得到了顯著的改善。同時(shí)，我們可以看到，在x 值由0.1 變?yōu)?.06 和0.02 的過程中，插入阱的深度越大則LED 的效率衰減問題改善得越明顯。

圖6 (a)在200 mA 注入電流下，AlxGa1－xN LED 內(nèi)量子效率和漏電流隨x 值的變化，插圖為3 個(gè)樣品的內(nèi)量子效率隨電流變化的情況;(b)AlxGa1－xN 三明治結(jié)構(gòu)電子阻擋層中兩個(gè)勢壘的有效高度隨x 值的變化情況。Fig.6 IQE and leakage current at 200 mA injection current(a)andeffective barrier height of the two barriers in EBL (b)vs.the value of x.The insert in Fig.6 (a)shows simulated IQE as a function of the injection current for the three LEDs.

盡管如此，但當(dāng)x 值從0.02 開始繼續(xù)下降時(shí)，效率衰減現(xiàn)象卻又重新變得嚴(yán)重起來。因?yàn)閳D像變化較小，我們畫出了200 mA 注入電流下內(nèi)量子效率隨x 值的變化情況，如圖6(a)所示(左y軸)。從圖中可以看到，引入AlGaN 三明治結(jié)構(gòu)電子阻擋層后，LED 的內(nèi)量子效率并不是隨著x值的降低而一直改善的。在x 值從0.1 降低至0.02 時(shí)，LED 的內(nèi)量子效率增加得很明顯，之后在x 值繼續(xù)下降至0 時(shí)卻呈現(xiàn)出輕微下降的趨勢?？赡艿慕忉屖?，在AlGaN 三明治結(jié)構(gòu)電子阻擋層中，越過第一個(gè)勢壘進(jìn)入淺勢阱中的電子的比例與它的有效勢壘高度Eb1有關(guān)，即exp(－ Eb1/k0T)。同時(shí)，因?yàn)閯葳宓膶挾茸銐虼?12 nm)，使得在其中的量子效應(yīng)不是很明顯，所以我們可以將這個(gè)勢阱視為一個(gè)電子池。因此，電子從這個(gè)電子池中越過第二個(gè)勢壘進(jìn)入p 型層的比例同樣可以由它的有效勢壘高度Eb2來決定。從圖6(b)中我們可以看到，當(dāng)x 值從0.08 下降到0.02時(shí)，Eb1和Eb2都有顯著的提高，因此LED 樣品對電子的限制作用得到了增強(qiáng)，減小了漏電流，同時(shí)改善了樣品的內(nèi)量子效率，如圖6(a)所示。但當(dāng)x 值繼續(xù)由0.02 下降至0 時(shí)，Eb1基本保持不變，但Eb2卻由于費(fèi)米能級在該處的進(jìn)一步提高而有所降低，從而導(dǎo)致樣品對電子的限制能力減弱，使得漏電流增加，內(nèi)量子效率下降，如圖6(a)所示。

4 結(jié) 論

研究了AlGaN 三明治結(jié)構(gòu)電子阻擋層對LED 性能的改善，討論了電子阻擋層中勢阱深度的變化對LED 性能的影響。結(jié)果表明，由于電子阻擋層中增強(qiáng)的電場對能帶的調(diào)制，使得電子阻擋層相對于電子的有效勢壘高度提高，而相對空穴的有效勢壘高度則有所下降;同時(shí)，較強(qiáng)的空穴聚集效應(yīng)也會發(fā)生在電子阻擋層引入的勢阱中。以上兩點(diǎn)使得LED 對電子的限制作用和空穴注入效率明顯改善，因此抑制了效率衰減現(xiàn)象。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，引入AlxGa1－xN 三明治結(jié)構(gòu)電子阻擋層的LED，其性能與x 值有著十分密切的關(guān)系，當(dāng)x 值由0.1 下降至0.02 時(shí)，內(nèi)量子效率不斷提高;但當(dāng)x 值進(jìn)一步從0.02下降至0 時(shí)，內(nèi)量子效率卻又呈現(xiàn)出輕微下降的趨勢。這可能是由于電子阻擋層中第二個(gè)勢壘高度下降的影響。

［1］Shen Y C，Mueller G O，Watanabe S，et al.Auger recombination in InGaN measured by photoluminescence［J］.Appl.Phys.Lett.，2007，91(14):141101-1-3.

［2］Kim M，Schubert M F，Dai Q，et al.Origin of efficiency droop in GaN-based light-emitting diodes［J］.Appl.Phys.Lett.，2007，91(18):183507-1-3.

［3］Rozhansky I V，Zakheim D A.Analysis of processes limiting quantum efficiency of AlGaInN LEDs at high pumping［J］.Phys.State Solidi (a)，2007，204(1):227-230.

［4］David A，Grundmann M J，Kaeding J F，et al.Carrier distribution in (0001)InGaN/GaN multiple quantum well lightemitting diodes［J］.Appl.Phys.Lett.，2008，92(5):053502-1-3.

［5］Han S H，Lee D Y，Lee S J，et al.Effect of electron blocking layer on efficiency droop in InGaN/GaN multiple quantum well light-emitting diodes［J］.Appl.Phys.Lett.，2009，94(23):231123-1-3.

［6］Mukai T，Yamada M，Nakamura S.Characteristics of InGaN-based UV/blue/green/amber/red light-emitting diodes［J］.Jpn.J.Appl.Phys.Lett.，1999，38(7A):3976-3981.

［7］Kim M H，Schubert M F，Dai Q，et al.Origin of efficiency droop in GaN-based light-emitting diodes［J］.Appl.Phys.Lett.，2007，91(18):183507-1-3.

［8］Han S H，Lee D Y，Lee S J，et al.Effect of electron blocking layer on efficiency droop in InGaN/GaN multiple quantum well light-emitting diodes［J］.Appl.Phys.Lett.，2009，94(23):231123-1-3.

［9］Wang C H，Ke C C，Lee C Y，et al.Hole injection and efficiency droop improvement in InGaN/GaN light-emitting diodes by band-engineered electron blocking layer［J］.Appl.Phys.Lett.，2010，97(26):261103-1-3.

［10］Zhang L，Wei X C，Liu N X，et al.Improvement of efficiency of GaN-based polarization-doped light-emitting diodes grown by metalorganic chemical vapor deposition［J］.Appl.Phys.Lett.，2011，98(24):241111-1-3.

［11］Kuo Y K，Chen J Y，Tsai M C.Enhancement in hole-injection efficiency of blue InGaN light-emitting diodes from reduced polarization by some specific designs for the electron blocking layer［J］.Opt.Lett.，2010，35(19):3285-3287.

［12］Choi S，Kim H J，Kim S S，et al.Improvement of peak quantum efficiency and efficiency droop in Ⅲ-nitride visible lightemitting diodes with an InAlN electron-blocking layer［J］.Appl.Phys.Lett.，2010，96(22):221105-1-3.

［13］Ghazai A J，Thahab S M，Abu H H.Quaternary ultraviolet AlInGaN MQW laser diode performance using quaternary AlIn-GaN electron blocking layer［J］.Opt.Exp.，2011，19(10):9245-9254.

［14］Zhang Y Y，Yin Y A.Performance enhancement of blue light-emitting diodes with a special designed AlGaN/GaN superlattice electron-blocking layer［J］.Appl.Phys.Lett.，2011，99(22):221103-1-3.

［15］Xia C S，Lu W，Zhang Z，et al.Efficiency enhancement of blue InGaN/GaN light-emitting diodes with an AlGaN-GaNAlGaN electron blocking layer［J］.J.Appl.Phys.，2012，111(9):094503-1-5.

［16］Stringfellow G B，Craford M G.High Brightness Light Emitting Diodes［M］.San Diego:Academic Press，1997:412.

［17］Vurgaftman I，Meyer J R.Band parameters for nitrogen-containing semiconductors［J］.J.Appl.Phys.，2003，94(6):3675-3696.