InGaN/GaN 多量子阱LED載流子泄漏與溫度關系研究

劉詩濤， 王 立*， 伍菲菲， 楊 祺， 何沅丹， 張建立， 全知覺， 黃海賓

(1. 南昌大學 材料科學與工程學院， 江西 南昌 330031；2. 南昌大學 國家硅基LED工程技術研究中心， 江西 南昌 330047； 3. 南昌大學 光伏研究院， 江西 南昌 330031)

?

InGaN/GaN 多量子阱LED載流子泄漏與溫度關系研究

劉詩濤1,2,3， 王 立1,2,3*， 伍菲菲1,2,3， 楊 祺1,2,3，
何沅丹1,2,3， 張建立1,2,3， 全知覺1,2,3， 黃海賓1,2,3

(1. 南昌大學 材料科學與工程學院， 江西 南昌 330031；
2. 南昌大學 國家硅基LED工程技術研究中心， 江西 南昌 330047； 3. 南昌大學 光伏研究院， 江西 南昌 330031)

通過測量光電流，直接觀察了InGaN/GaN量子阱中載流子的泄漏程度隨溫度升高的變化關系。當LED溫度從300 K升高到360 K時，在相同的光照強度下，LED的光電流增大，說明在溫度上升之后，載流子從量子阱中逃逸的數目更多，即載流子泄漏比例增大。同時，光電流的增大在激發(fā)密度較低的時候更為明顯，而且光電流隨溫度的增加幅度與激發(fā)光子的能量有關。用量子阱-量子點復合模型能很好地解釋所觀察到的實驗現象。實驗結果直接證明，隨著溫度的升高，InGaN/GaN量子阱中的載流子泄漏將顯著增加，而且在低激發(fā)密度下這一效應更為明顯。溫度升高導致的載流子泄漏增多是InGaN多量子阱LED發(fā)光效率隨溫度升高而降低的重要原因。

InGaN/GaN多量子阱； 發(fā)光二極管； 載流子泄漏； 量子效率

1 引 言

自從1991年Nakamura等[1]成功研制出GaN基藍光LED以來，GaN材料在固態(tài)照明領域中成為了研究熱點。隨著生長技術與工藝的發(fā)展，GaN基LED已經廣泛應用于生活中。與傳統(tǒng)光源熒光燈和白熾燈的發(fā)光效率 (70 lm/W 和15 lm/W) 相比，GaN基LED不僅發(fā)光效率高，并且無汞污染，又可通過節(jié)能減少了二氧化碳和其他溫室氣體的產生，在環(huán)保方面有其明顯的優(yōu)勢[2-3]。

雖然GaN基LED經過20多年的發(fā)展已取得很多進步，但仍存在許多問題，阻礙著GaN基LED 在照明領域的進一步推廣，其中之一便是量子效率的droop效應。LED的droop效應可以分為兩種：一是量子效率隨電流密度的增大而降低(簡稱電流密度droop效應或J-droop效應)；二是量子效率隨溫度的升高而降低(簡稱溫度droop效應或T-droop效應)。J-droop效應是近年來LED研究中最受關注的熱點問題之一[4-10]。其機理被歸結為極化效應引起的載流子泄漏[4]、p型摻雜效率低導致載流子輸運不對稱[5]、載流子的去局域化[6-7]、高密度電流激活缺陷復合[8-9]和俄歇復合[10]等因素。關于如何消除J-droop效應的研究也非常多。例如，設計晶格更加匹配的多量子阱(MQW)結構、雙異質結結構和制作大尺寸器件(減少電流密度)等。與J-droop效應相比，T-droop效應獲得的關注還相對較少。Meyaard 等認為，T-droop效應主要歸結于高溫下新的非輻射復合中心的產生[11]。然而，也有部分文獻指出，高溫下的載流子泄漏也將導致效率的下降[12]。在這些工作中，T-droop與載流子泄漏的關系是通過定性或半定量地分析SRH復合所占的比例來間接推斷的[11,13-14]。在這些研究中，LED都是正向驅動的，載流子從阱中泄漏后也終將在p型層等區(qū)域被復合，因而無法直接得知泄漏的載流子數量。為了直接觀察載流子從量子阱中的泄漏程度與溫度的關系，本文將InGaN/GaN 多量子阱LED作為光電池并置于零偏壓下，通過光激發(fā)載流子的方式，對載流子泄漏與溫度的關系進行研究。我們發(fā)現，當樣品溫度從300 K升高到360 K時，光電流顯著增加，為載流子泄漏導致T-droop效應這一物理機制提供了直接證據。

2 實 驗

實驗中所用到的樣品結構如圖1(a)所示。樣品由金屬有機氣相沉積(MOCVD)方法制備，由2.5 μm厚的n-GaN層、9個周期的InGaN(3 nm)/GaN(10 nm)的量子阱結構和100 nm厚的p-GaN層構成，其中量子阱中的In組分為0.27。器件的面積大小為 1 mm×1 mm，350 mA下的發(fā)光波長為521 nm。

圖1 (a) 樣品結構示意圖；(b) 實驗測試方法簡圖。

Fig.1 (a) Schematic diagram of the structure of the sample. (b) Schematic diagram of the measurement.

圖1(b)給出了實驗測試裝置的原理簡圖。我們通過光來激發(fā)LED器件，由微電流儀測量光電流的大小。樣品溫度由可控溫加熱臺控制。光源分別為發(fā)光波長390 nm和504 nm 的LED，其芯片尺寸均為1 mm×1 mm。選擇兩個波長的光源是為了探究載流子被激發(fā)到不同能級的行為。

3 結果與討論

考慮到典型的GaN基LED穩(wěn)態(tài)工作時的結溫可達80 ℃左右，本研究選擇的溫度點為300 K和360 K。圖2給出了本研究使用的LED樣品在300 K和360 K下的內量子效率(IQE)曲線，其中可以觀察到J-droop效應和T-droop效應。當電流為350 mA時，從300 K升高到360 K，樣品的IQE下降了約10%，這與文獻中報道的典型結果相當[11,13-14]?？梢钥闯?，T-droop效應大幅降低了GaN基LED的發(fā)光效率，減弱了半導體照明的節(jié)能優(yōu)勢。

圖2 樣品在300 K和360 K下的發(fā)光效率隨電流密度變化曲線

Fig.2 Luminous efficiency as a function of current density at 300 K and 360 K

為了探究T-droop效應主導的物理機制，我們通過測量樣品的光電流來分析樣品載流子泄漏電流的大小。由于LED中有源區(qū)存在自建電場，所以在量子阱中產生的載流子將有一部分可以被這個電場分離，它們到達電極后即形成光電流。載流子從量子阱中逃逸主要包括量子隧穿和熱發(fā)射兩種過程。關于InGaN/GaN量子阱的光伏效應已有不少研究[15]，通常認為在AM1.5標準太陽光譜照射下，光生載流子的逃逸機制以隧穿為主[16]。由于載流子逃逸和復合是相互競爭的關系，在激發(fā)密度(產生率)相同的情況下，光電流的增加必然意味著載流子復合(包括輻射和非輻射過程)的減少。因此，光電流的大小是載流子從量子阱中泄漏程度的直接反映。需要指出的是，所謂InGaN/GaN多量子阱LED中的載流子泄漏指的是電子從量子阱中向p型區(qū)泄漏，而光電流的方向是電子向n型區(qū)逃逸。我們用ATLAS模擬程序[17]計算了在零偏壓下InGaN/GaN量子阱中電子向n區(qū)逃逸需要越過的勢壘高度和在35 A/cm2正向電流下電子從量子阱中向p區(qū)逃逸需要越過的勢壘高度。如圖3所示，在這兩種條件下，電子從量子阱基態(tài)逃逸的勢壘高度非常接近，因此我們認為用零偏壓下的光電流來衡量LED在正向典型注入密度下的載流子泄漏是合理的。

圖3 在零偏壓光照下和正向注入35 A/cm2時的仿真能帶圖

Fig.3 Energy band diagrams of LED under 0 bias and 35 A/cm2

圖4(a)和(b)給出了在390 nm和504 nm LED光源照射下，樣品溫度為300 K和360 K時的光電流隨光源電流密度的變化曲線。需要說明的是，我們的LED光源沒有采用特殊聚焦處理，雖然我們讓光源和電池彼此盡量靠近，但光源發(fā)出的光仍只有一小部分被樣品吸收，因此光電池受到的激發(fā)密度與光源的電流密度相比是很小的。

圖4 (a)光源波長為390 nm，300 K和360 K下的光電流隨激發(fā)密度的變化曲線；(b)光源波長為504 nm，300 K和360 K下的光電流隨激發(fā)密度的變化曲線;(c)光源波長為504 nm，溫度上升光電流的變化率的變化曲線。

Fig.4 (a) Photocurrentvs. excitation density at 300 K and 360 K with the light source wavelength of 390 nm. (b) Photocurrentvs. excitation density at 300 K and 360 K with the light source wavelength of 504 nm. (c) Change rate of photocurrentvs. excitation density with temperature increasing with the light source wavelength of 504 nm.

通過觀察圖4(a)和(b)的4條曲線不難發(fā)現，光電流都是隨著激發(fā)密度的升高而變大，其變化趨勢接近于線性。在激發(fā)密度較高時，曲線略向下偏離線性，這是由于光源輸出強度偏離線性導致的。由于光源也是InGaN量子阱LED，如圖2所示，其光輸出強度隨電流密度變化并不是線性的，在500 mA時其效率比最高效率下降約10%，圖4所示的光電流曲線向下偏離線性正是光源效率下降的反映。進一步觀察可以看到，在390 nm激發(fā)下，360 K和300 K時的光電流曲線基本重合，而504 nm激發(fā)下360 K時的光電流比300 K時明顯升高。我們將504 nm激發(fā)下360 K時的光電流相對于300 K時升高的比例隨激發(fā)密度的關系描繪于圖4(c)中。從圖中可以看見，光電流的增加幅度隨激發(fā)密度的增大呈現指數函數形式的下降，從1 mA時的33%下降到500 mA時的19%。溫度升高將導致半導體的帶隙寬度收縮。對于體塊材料而言，這將使吸收效率隨激發(fā)光子能量以(E-Eg)1/2的關系增加。然而對于量子阱而言，由于其臺階狀的態(tài)密度-能量關系，所以帶隙收縮對吸收系數的影響很小。即使我們按(E-Eg)1/2的關系做一個估算，對于504 nm的激發(fā)波長來說，300～360 K的溫升區(qū)間內樣品的吸收率增加也不到15%。而圖4(c)中任意激發(fā)密度下的電流增加比例都遠大于15%。更為重要的是，由于吸收效率增大導致的光電流增加與激發(fā)密度應呈線性關系，而不是圖4(c)所呈現的指數關系，因此我們可以判定，樣品中光電流的增大主要不是由于吸收率增大引起的，而應歸結于載流子的逃逸效率增大。

如前所述，處在量子阱中的載流子將有兩種相互競爭的命運：復合和逃逸。光電流的增大表明載流子復合減少，逃逸(泄漏)效率增加。由于溫度升高將導致新的非輻射復合中心產生，因此非輻射復合率將增大，這種機理常被用來解釋低激發(fā)密度下溫度升高使發(fā)光效率下降的原因。然而，圖4中的數據表明，溫度從300 K上升到360 K時，非輻射復合中心的增加并不嚴重，而載流子逃逸效率的增大超過了新增非輻射復合中心導致的復合率增加，并導致了光電流的增大。

接下來，我們對溫度升高載流子泄漏增大的機理做一個簡單的分析。Lai等也曾報道InGaN/GaN多量子阱太陽電池光電流隨溫度升高而增大的現象，他們把原因歸結于帶隙變窄效應或局部低In組分量子阱區(qū)域的價帶激發(fā)態(tài)(E2)能級上的空穴熱發(fā)射[18]。根據這一判斷，應該是足夠高光子能量的光源激發(fā)下才可能觀察到這一現象，而我們的樣品中出現的現象卻完全相反。我們用低光子能量的光源激發(fā)樣品，光電流增大明顯；而用高光子能量激發(fā)樣品時，光電流的增大反而不明顯。因此，Lai等提出的機理對我們的樣品是不適用的。

為了解釋我們的實驗現象，在這里我們引入量子點-量子阱復合模型[19-22]。眾所周知，在InGaN量子阱生長過程中，In組分并不是完全均勻地分布在量子阱中，而是會發(fā)生In組分波動。所以在實際的樣品當中，會存在富In區(qū)域的量子點。這種富In區(qū)域的帶隙寬度比量子阱的帶隙寬度更窄。圖5給出了量子阱-量子點復合模型的能帶結構示意圖。為了方便討論，這里只給出了一個量子阱的情況。由于量子點的In組分更高，所以對應的帶隙寬度更低。當激發(fā)光光子能量較低時，只能激發(fā)量子點的帶間躍遷而不能直接激發(fā)量子阱帶間躍遷。此時產生在量子點中的電子和空穴被束縛而不能自由移動，也就無法貢獻到光電流。當溫度升高時，束縛在量子點中的電子和空穴將有更大機會被發(fā)射到量子阱的準連續(xù)能級，然后通過量子隧穿等過程逃逸出量子阱形成光電流，這就是圖4(b)所示的情形。當激發(fā)光的光子能量足夠大時，將直接激發(fā)量子阱帶間躍遷，此時載流子可直接通過量子隧穿等機制逃逸出量子阱。由于隧穿過程與溫度無關，因而該條件下光電流隨溫度升高無明顯變化，這就是圖4(a)所示的情形。

根據Richardson-Dushman方程，在我們的模型中熱發(fā)射電流可表示為：

(1)

4 結 論

通過測量光電流，我們直接觀察了InGaN/GaN量子阱中載流子的泄漏程度隨溫度升高的變化關系。當LED溫度從300 K升高到360 K時，在相同的光照強度下，LED的光電流增大，說明溫度上升之后載流子從量子阱中逃逸的數目更多，即載流子泄漏比例增大。同時，我們發(fā)現光電流的增大在激發(fā)密度較低的時候更明顯，而且光電流隨溫度的增加幅度與激發(fā)光子的能量有關。用量子阱-量子點復合模型能很好地解釋所觀察到的實驗現象。結果直接證明，隨著溫度的升高，InGaN/GaN量子阱中的載流子泄漏將顯著增加，而且在低激發(fā)密度下這一效應更為明顯。我們認為，溫度升高導致的載流子泄漏增多是InGaN多量子阱LED發(fā)光效率隨溫度升高而降低的重要原因。

[1] NAKAMURA S, MUKAI T, SENOH M. High-power GaN P-N junction blue-light-emitting diodes [J].Jpn.J.Appl.Phys., 1991, 30(12A):L1998-L2001.

[2] 金尚忠, 張樹生, 侯民賢. 白光照明LED燈溫度特性的研究 [J]. 光源與照明, 2004(4):6-8. JIN S Z, ZHANG S S, HOU M X. The research of temperature characteristic in white light LED [J].LampsLight., 2004(4):6-8. (in Chinese)

[3] CAO K W, FU B L, LIU Z,etal.. Anomalous luminescence efficiency enhancement of short-term aged GaN-based blue light-emitting diodes [J].J.Semicond., 2016， 37(1):014008.

[4] KIM M H, SCHUBERT M F, DAI Q,etal.. Origin of efficiency droop in GaN-based light-emitting diodes [J].Appl.Phys.Lett., 2007, 91(18):183507-1-3.

[5] MEYAARD D S, LIN G B, SHAN Q F,etal.. Asymmetry of carrier transport leading to efficiency droop in GaInN based light-emitting diodes [J].Appl.Phys.Lett., 2011, 99(25):251115-1-2.

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

[7] YANG Y, CAO X A, YAN C H. Investigation of the nonthermal mechanism of efficiency rolloff in InGaN light-emitting diodes [J].IEEETrans.ElectronDev., 2008, 55(7):1771-1775.

[8] HADER J, MOLONEY J V, KOCH S W,etal.. Density-activated defect recombination as a possible explanation for the efficiency droop in GaN-based diodes [J].Appl.Phys.Lett., 2010, 96(22):221106-1-3.

[9] HADER J, MOLONEY J V, KOCH S W. Temperature-dependence of the internal efficiency droop in GaN-based diodes [J].Appl.Phys.Lett., 2011, 99(18):181127-1-3.

[10] SHEN Y C, MUELLER G O, WATANABE S,etal.. Auger recombination in InGaN measured by photoluminescence [J].Appl.Phys.Lett., 2007, 91(14):141101-1-3.

[11] MEYAARD D S, SHAN Q F, CHO J,etal.. Temperature dependent efficiency droop in GaInN light-emitting diodes with different current densities [J].Appl.Phys.Lett., 2012, 100(8):081106-1-3.

[12] HUH C, SCHAFF W J, EASTMAN L F,etal.. Temperature dependence of performance of InGaN/GaN MQW LEDs with different indium compositions [J].IEEEElectronDev.Lett., 2004, 25(2):61-63.

[13] JIANG R, LU H, CHEN D J,etal. Temperature-dependent efficiency droop behaviors of GaN-based green light-emitting diodes [J].Chin.Phys. B, 2013, 22(4):047805-1-4.

[14] PLOCH N L, EINFELDT S, FRENTRUP M,etal.. Solar blind UV region and UV detector development objectives [J].Semicond.Sci.Technol., 2013, 28(12):2558-2562.

[15] JANI O, FERGUSON I, HONSBERG C,etal.. Design and characterization of GaN/InGaN solar cells [J].Appl.Phys.Lett., 2007, 91(13):132117-1-3.

[16] LANG J R, YOUNG N G, FARRELL R M,etal.. Carrier escape mechanism dependence on barrier thickness and temperature in InGaN quantum well solar cells [J].Appl.Phys.Lett., 2012, 101(18):181105-1-5.

[17] SILVACO INC. ATLAS User’s Manual 2012 [EB/OL]. (2013-10-02). http://www.silvaco.com.

[18] LAI K Y, LIN G J, CHEN C Y,etal.. Origin of hot carriers in InGaN-Based quantum-well solar cells [J].IEEEElectronDev.Lett., 2011, 32(2):179-181.

[19] O’DONNELL K P, MARTIN R W, MIDDLETON P G. Origin of luminescence from InGaN diodes [J].Phys.Rev.Lett., 1999, 82(1):237-240.

[20] KRESTNIKOV I L, LEDENTSOV N N, HOFFMANN A,etal.. Quantum dot origin of luminescence in InGaN-GaN structures [J].Phys.Rev. B, 2002, 66(15):155310-1-5.

[21] CHANG H J, CHEN C H, CHEN Y F,etal.. Direct evidence of nanocluster-induced luminescence in InGaN epifilms [J].Appl.Phys.Lett., 2005, 86(86):021911-1-3.

[22] SUN Q, YAN W, FENG M X,etal.. GaN-on-Si blue/white LEDs: epitaxy, chip, and package [J].J.Semicond., 2016， 37(4):044006.

[23] SANTI C D, MENEGHINI M, GRASSAM L,etal.. Role of defects in the thermal droop of InGaN-based light emitting diodes [J].J.Appl.Phys., 2016, 119(9):094501.

劉詩濤(1992-)，男，湖南郴州人，碩士研究生，2010年于南昌大學獲得學士學位，主要從事InGaN材料光電性能的研究。

E-mail: 464120296@qq.com 王立(1976-)，男，江西井岡山人，博士,研究員，2006年于南昌大學獲得博士學位，主要從事光電子材料與器件的研究。

E-mail: wl@ncu.edu.cn

中國物理學會發(fā)光分會第13屆委員名單(30名)

江風益 康俊勇 李京波 劉佩華 劉益春 呂有明 彭俊彪 申德振

宋宏偉 孫甲明 湯子康 王笑軍 王永生 王育華 肖志國 徐春祥

許 武 尹 民 張國義 許秀來 張洪杰 張建華 騰 楓 趙東旭

莊衛(wèi)東 魏志鵬 周 濟 張喜田 于 貴 劉 雷

中國物理學會發(fā)光分會第12屆常委委員建議名單(11名)

江風益 劉益春 彭俊彪 申德振 湯子康 王永生 許 武 張國義

張洪杰 徐春祥 劉 雷

中國物理學會發(fā)光分會第12屆領導名單

主 任：申德振

副主任：王永生 劉益春 許 武

秘書長：趙東旭

副秘書長：劉可為

Temperature-dependent Carrier Leakage in InGaN/GaN Multiple Quantum Wells Light-emitting Diodes

LIU Shi-tao1,2,3, WANG Li1,2,3*, WU Fei-fei1,2,3, YANY Qi1,2,3, HE Yuan-dan1,2,3, ZHANG Jian-li1,2,3, QUAN Zhi-jue1,2,3, HUANG Hai-bin1,2,3

(1.CollegeofMaterialScienceandEngineering,NanchangUniversity,Nanchang330031,China；
2.NationalEngineeringResearchCenteronSiSubstrate,NanchangUniversity,Nanchang330047,China；
3.CollegeofPhotovoltaic,NanchangUniversity,Nanchang330031,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:wl@ncu.edu.cn

By measuring the photocurrent, we directly observed the relationship between the degree of carrier leakage and the temperature in InGaN multiple quantum wells. When LED’s working temperature rises from room temperature to 360 K, the photocurrent increases under the same light intensity. The increase of the sample’s photocurrent means larger amount of carrier leakage when the temperature rises. At the same time, it is found that the carriers leak more in a lower density, and the increase of photocurrent is related to the emission photon energy. The model of quantum well-quantum dot can explain the phenomena observed in the experiment, such as the rise of temperature shows little influence on carrier leakage when the excitation light wavelength is relatively short, and causes more carrier leakage when the emission light wavelength is longer. Also, this model can well explain that the carriers leak more in a lower density and leak less in a higher density when the temperature rises. The experiment results suggest that the carrier leakage is the dominant mechanism for T-droop effect when the temperature rises from 300 to 360 K.

InGaN/GaN MQWs; light-emitting diodes; carrier leakage; quantum efficiency

2016-07-17；

2016-09-24

國家自然科學基金(61564007,11364034); 江西省科技支撐計劃(2014BE50035)資助項目 Supported by National Natural Science Fundation of China(61564007,11364034); Jiangxi Provincial Sci-Tech Support Plan (2014BE50035)

1000-7032(2017)01-0063-07

TN383+.1； O484.4

A

10.3788/fgxb20173801.0063