勢壘硅摻雜對GaN基LED極化電場及其光電性能的影響

張正宜， 王 超

(1. 山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系， 山西 太原 030031；2. 蘭州交通大學(xué) 光電技術(shù)與智能控制教育部重點實驗室， 甘肅 蘭州 730070)

1 引 言

InGaN半導(dǎo)體材料具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)和直接能隙結(jié)構(gòu)，通過改變In原子在InGaN中的比例，可實現(xiàn)從0.7 eV到6.2 eV的能隙調(diào)控，從而可以在整個可見光范圍內(nèi)通過電致發(fā)光[1-2]。InGaN LED被廣泛應(yīng)用到通用照明和顯示領(lǐng)域。對于氮化物發(fā)光二極管器件來說，InGaN多量子阱結(jié)構(gòu)是其最重要的組成部分。目前，對于InGaN多量子阱的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計及機理方面做了大量的研究工作，其中，包括量子阱p型摻雜、梯度量子阱、三角量子阱的設(shè)計等改變量子阱內(nèi)的極化電場，采用lnGaN或者InAlGaN作為勢壘材料來調(diào)節(jié)多量子阱中的應(yīng)力[3]，對InGaN多量子阱壘層摻雜Si來改善器件的光學(xué)及電學(xué)性能[4-6]。勢壘層n型摻雜對于提升MQWs及LED器件的性能起著至關(guān)重要的作用。目前都通過調(diào)控壘層摻雜生長LED結(jié)構(gòu)進行表征及光電性能討論。但對勢壘層Si摻雜的理論機理探討研究報道較少。目前，李國強等通過壘層Si摻雜來改善lnGaN綠光多量子阱的界面質(zhì)量和電流的擴展性提高LED光電性能[7]；郭志友等通過壘層的n和p型摻雜提高LED的光輸出功率[8]。DenBaars等通過勢壘摻Si來提高激光器的光增益進而研究影響lnGaN量子阱的物理機制。

對lnGaN多量子阱LED研究中發(fā)現(xiàn)，量子壘的Si摻雜增加了電子載流子濃度，有利于屏蔽極化電場的作用[9-12]。然而，有關(guān)通過理論研究勢壘層Si摻雜調(diào)控lnGaN多量子阱的電場變化的報道較少，其對器件光電性能影響的物理機制還需進一步探討。本文通過理論仿真計算研究勢壘層Si摻雜對lnGaN多量子阱電場的影響，從而獲得調(diào)控lnGaN多量子阱極化電場的理論基礎(chǔ)，進而改善lnGaN多量子阱LED器件的光電性能。

2 計算模型及參數(shù)

采用6×6 K·P方法計算了InGaN多量子阱LED結(jié)構(gòu)，并研究了其光電性質(zhì)。圖1是GaN基LED結(jié)構(gòu)示意圖。N-GaN層的厚度為2 μm，摻雜濃度為6×1018cm-3；In0.2Ga0.8N(3.2 nm)/GaN∶Si (4.8 nm)多量子阱為11個周期；勢壘層GaN∶Si摻雜濃度分別為：0，1e16，5e16，1e17，5e17，1e18，5e18，1e19，2e19，1e20cm-3；p-Al0.15Ga0.85N阻擋層的厚度為50 nm，摻雜濃度為5e17cm-3；p-GaN電極接觸層摻雜濃度為2e19cm-3。仿真計算中帶階比ΔEc/ΔEv=0.7/0.3為默認(rèn)參數(shù)。電子和空穴的遷移率分別為100 cm2·V-1·s-1和10 cm2·V-1·s-1，器件的工作溫度為300 K，仿真計算中其他的半導(dǎo)體材料參數(shù)已被文獻報道[13-14]。

圖1 GaN基LED結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)果與討論

InGaN/GaN量子阱區(qū)的內(nèi)部電場是壓電極化場和自發(fā)極化場共同作用的結(jié)果。圖2為注入電流60 mA時，InGaN/GaN多量子阱區(qū)內(nèi)的電場及電勢分布圖。隨著勢壘中摻雜濃度的增加，當(dāng)摻雜Si濃度≤1e18cm-3時，勢壘的右邊界的電場變化不明顯；當(dāng)摻雜Si濃度≥5e18cm-3時，勢壘的左邊界的電場明顯增加，如圖2(b)所示。這主要是由于勢壘層在低摻雜濃度時界面聚集的電子數(shù)量較少，電場較弱。而當(dāng)摻雜濃度高時界面聚集的電子濃度增加。從圖2(b)中可以觀察到勢壘的左邊界的電場變化不明顯，這主要是由于勢阱的右邊界有大量的空穴與勢壘左邊界的電子發(fā)生復(fù)合，導(dǎo)致勢壘左邊界聚集的電子數(shù)量減少。因此，增加勢壘摻雜濃度提高了勢壘與勢阱界面的電場強度。勢壘摻雜濃度的增加分布降低了勢壘和勢阱中的電場強度。

為了研究勢壘不同摻雜對量子阱區(qū)非輻射復(fù)合的影響，分別討論不同摻雜濃度勢壘LED隨注入電流變化的總的非輻射復(fù)合、肖克萊-霍爾-里德復(fù)合和俄歇復(fù)合的電流密度曲線，如圖3所示。從圖3(a)中可以觀察到隨著注入電流的增加，非輻射復(fù)合電流密度逐漸增大。這主要是由于非輻射復(fù)合主要由肖克萊-霍爾-里德復(fù)合和俄歇復(fù)合組成。摻雜濃度的增加可導(dǎo)致量子阱區(qū)的這兩種方式復(fù)合幾率增加。當(dāng)注入電流為60 mA時，隨著摻雜濃度的增加，總的非輻射復(fù)合電流密度逐漸增大，但變化幅度較小。這主要是由于在該電流下肖克萊-霍爾-里德復(fù)合與俄歇復(fù)合共同作用的結(jié)果。如圖3(b)所示，在摻雜濃度<1e19cm-3時，肖克萊-霍爾-里德復(fù)合的電流密度變化較小，變化趨勢是隨著摻雜濃度的增加肖克萊-霍爾-里德復(fù)合的電流密度逐漸增大。然而，當(dāng)摻雜濃度≥1e19cm-3時，SHR復(fù)合幾率降低。如圖3(c)所示，隨著摻雜濃度的增加，Auger復(fù)合幾率逐漸增加。這主要是由于非輻射復(fù)合幾率和摻雜濃度與其相關(guān)的系數(shù)有關(guān)系[15]。

圖2 注入電流為60 mA時，11個InGaN/GaN多量子阱中不同硅摻雜濃度勢壘的內(nèi)電場分布圖(a)及其局部放大圖(b)。

圖3 不同摻雜濃度勢壘LED隨注入電流增加的非輻射復(fù)合電流密度變化曲線，其中包括總非輻射復(fù)合電流密度(a)、肖克萊-霍爾-里德復(fù)合電流密度(b)和俄歇復(fù)合電流密度(c)。

為了研究勢壘Si摻雜對GaN LED的工作電壓的影響，討論了不同摻雜濃度勢壘GaN LED工作電壓隨注入電流的變化，如圖4(a)所示。從圖4(a)中可以觀察到當(dāng)摻雜濃度<5e18cm-3時，隨著注入電流的增加，工作電壓變化量較大。當(dāng)注入電流為60 mA時，工作電壓達3.7 V左右；當(dāng)摻雜濃度≥5e18cm-3時，隨注入電流的增加，工作電壓變化量較小。當(dāng)注入電流為60 mA時，工作電壓約3.1 V。勢壘摻雜濃度的提高有利于GaN基LED工作電壓的降低，工作電壓的升高主要是由于量子阱中的電勢變化較大引起的[7,10]。圖4(b)是注入電流為60 mA時，不同摻雜濃度勢壘的量子阱的電勢變化圖，從圖中還可以看出隨著勢壘Si摻雜濃度的提高量子阱中的電勢逐漸降低，摻雜濃度為0～1e18cm-3時，后面8個量子阱中的電勢的變化幅度不大，基本保持一致。但摻雜濃度大于1e18小于5e18cm-3時，量子阱中的電勢變化幅度較大，這可能是由于此時摻雜引起的電場對量子阱中的極化電場影響較大導(dǎo)致[16-17]。

從圖5(a)中可以看出，當(dāng)Si摻雜濃度≤5e18cm-3時，隨著勢壘摻雜濃度增加，峰值波長逐漸藍移。這主要是由于Si摻雜減弱了壓電極化場[18]；隨著電流的增加，峰值波長發(fā)生藍移，這主要是由量子限制斯塔克效應(yīng)引起的[19]。當(dāng)摻雜濃度>5e18cm-3時，隨著注入電流的增加，峰值波長基本不變。這主要可能是由于摻雜濃度的提高導(dǎo)致量子阱中電子準(zhǔn)費米能級上移，空穴的準(zhǔn)費米能級發(fā)生了較大的傾斜導(dǎo)致[20]。圖5(b)是不同摻雜濃度勢壘的LED的內(nèi)量子效率(IQE)隨注入電流變化曲線圖。隨著注入電流的增加，IQE逐漸降低。這主要是由于電流的增加，p型GaN層的電勢降低，從而降低了勢壘的高度，導(dǎo)致載流子的泄漏增加[21]。當(dāng)注入電流為60 mA時，摻雜濃度為1e18cm-3的IQE最高。為了解釋不同摻雜勢壘對IQE的影響，采用能帶理論討論量子阱中導(dǎo)帶、價帶、費米能級、電子和空穴的波函數(shù)的變化規(guī)律。圖6是注入電流為60 mA時，不同摻雜濃度勢壘InGaN LED多量子阱的能帶圖。

圖4 不同摻雜濃度勢壘LED的工作電壓(a)隨注入電流變化的曲線圖和在注入電流為60 mA時的電勢(b)變化圖

圖5 不同摻雜濃度勢壘LED峰值波長(a)和內(nèi)量子效率(b)隨注入電流變化曲線圖

圖6 注入電流為60 mA時，不同摻雜濃度勢壘GaN基LED多量子阱的能帶圖。

從圖6中可以發(fā)現(xiàn)勢壘摻雜濃度從0增加到5e1 7cm-3時，電子和空穴的準(zhǔn)費米能級幾乎未發(fā)生變化，說明導(dǎo)帶中的電子濃度和價帶中的空穴濃度保持不變。而這時導(dǎo)致內(nèi)量子效率下降的原因主要是由于非輻射復(fù)合。從圖5中可以看出隨著勢壘摻雜濃度的提高能帶結(jié)構(gòu)由傾斜變得水平，電子在導(dǎo)帶上的注入效率下降，空穴在價帶上的注入效率也開始下降。并且發(fā)現(xiàn)勢壘摻雜濃度從1e18cm-3增加到1e20cm-3時，準(zhǔn)空穴準(zhǔn)費米能級左邊突然上升，由此可知，空穴濃度在多量子阱中的分布變得不均勻，從右邊往左邊空穴濃度逐漸降低。這主要是由于空穴準(zhǔn)費米能級上升導(dǎo)致的注入率下降，并加劇了電子和空穴波函數(shù)的分離[22-23]，進而證明了摻雜濃度>1e18cm-3量子阱內(nèi)量子效率下降的原因。當(dāng)摻雜濃度為1e18cm-3、注入電流為60 mA時，GaN基LED的內(nèi)量子效率最高約72%，這主要是由于非輻射復(fù)合和能帶變化共同作用的結(jié)果。

4 結(jié) 論

本文采用6×6 K·P方法從理論上研究了不同勢壘硅摻雜濃度對GaN基LED量子阱中電場的影響規(guī)律，并對其光電性質(zhì)進行了研究。發(fā)現(xiàn)當(dāng)勢壘硅摻雜濃度>1e18cm-3時，阱壘界面處的電場強度會變大，這主要是由于硅摻雜濃度過高導(dǎo)致量子阱中界面電荷的聚集?？偡禽椛鋸?fù)合和俄歇復(fù)合隨著勢壘摻雜濃度的增加而增加，而肖克萊-霍爾-里德復(fù)合隨之減少，這是由于點陷阱的增大形成了缺陷能級導(dǎo)致。勢壘摻雜有利于改善載流子的傳輸特性，從而降低GaN基LED的工作電壓。適當(dāng)?shù)膭輭緭诫s降低了量子阱中界面電荷的損耗，當(dāng)摻雜濃度為1e18cm-3、注入電流為60 mA時，GaN基LED獲得了較高的內(nèi)量子效率約72%。