藍(lán)紫光發(fā)光二極管中的低頻產(chǎn)生-復(fù)合噪聲行為研究

王黨會(huì) 許天旱

(西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710065)

1 引 言

GaN基寬禁帶光電子半導(dǎo)體材料具有在0.7—6.2 eV之間的直接、連續(xù)可調(diào)的帶隙特性,是實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體藍(lán)光及紫光/深紫外光發(fā)光二極管(lightemitting diode,LED)、激光二極管和GaN基功率器件的關(guān)鍵材料.目前,GaN基LED多采用多量子阱(multiple quantum well,MQW)結(jié)構(gòu)作為發(fā)光活性區(qū).在施加正向偏置時(shí),由于外加電壓基本都在耗盡層上,抵消并減弱了內(nèi)建電場(chǎng),降低了勢(shì)壘高度,因此多數(shù)載流子就容易越過(guò)勢(shì)壘注入對(duì)方形成少數(shù)載流子.于是處于高能態(tài)的電子和空穴相遇復(fù)合,同時(shí)把多余的能量以電磁波的形式釋放,從而實(shí)現(xiàn)固態(tài)發(fā)光.基于p-n結(jié)理論的LED發(fā)光原理如圖1所示,圖中箭頭所示為電子與空穴輻射復(fù)合發(fā)射可見(jiàn)光的傳播方向.發(fā)光活性區(qū)中少數(shù)載流子之間的輻射復(fù)合是引起LED發(fā)光的主要原因.

近20年來(lái),隨著半導(dǎo)體制程尺寸的日益減小,半導(dǎo)體器件中的納米界面效應(yīng)、異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘以及雜質(zhì)與缺陷等固有的物理現(xiàn)象,已經(jīng)成為俘獲與發(fā)射載流子、進(jìn)而影響載流子輸運(yùn)行為的主要因素[1-4].在電子元器件的工作過(guò)程中(尤其是開(kāi)啟過(guò)程),電子與空穴在電場(chǎng)作用下的擴(kuò)散與漂移、陷阱能級(jí)或缺陷能級(jí)對(duì)載流子的俘獲與發(fā)射,以及雜質(zhì)與晶格的散射作用等物理過(guò)程,均能引起載流子數(shù)目的漲落和遷移率的漲落,這些過(guò)程中蘊(yùn)涵著豐富的噪聲信息[5-8].我們知道,GaN基LED的實(shí)質(zhì)是InGaN/GaN MQW結(jié)構(gòu),其發(fā)光區(qū)域主要集中在p-GaN的有源區(qū),載流子的溢出、發(fā)光活性區(qū)中的位錯(cuò)對(duì)載流子的俘獲以及Auger效應(yīng)被認(rèn)為是引起LED量子效率降低的主要原因.當(dāng)電流注入時(shí),MQW結(jié)構(gòu)LED中的載流子復(fù)合、非輻射復(fù)合以及載流子數(shù)目漲落中包含的大量信息往往被許多研究者忽略.LED中的產(chǎn)生-復(fù)合 (generation-recombination,g-r)噪聲起源于器件中陷阱對(duì)少數(shù)載流子的隨機(jī)俘獲或者發(fā)射,引起了電流傳導(dǎo)過(guò)程中載流子數(shù)目和遷移率的漲落.當(dāng)載流子被俘獲時(shí),會(huì)誘發(fā)引起遷移率、擴(kuò)散系數(shù)、電場(chǎng)強(qiáng)度、勢(shì)壘高度以及空間電荷區(qū)寬度等方面的漲落[9-12].低頻噪聲作為一種有效的、敏感的無(wú)損檢測(cè)技術(shù),其中的低頻1/f噪聲和g-r噪聲中分別包含著半導(dǎo)體器件中載流子的擴(kuò)散、漂移、漲落等輸運(yùn)信息和發(fā)光活性區(qū)中載流子的產(chǎn)生、復(fù)合以及被雜質(zhì)缺陷的俘獲等信息.研究g-r噪聲的產(chǎn)生機(jī)理、噪聲幅值和特征頻率等參數(shù),以及這些參數(shù)與電子流之間的關(guān)系等問(wèn)題,對(duì)深入了解LED的發(fā)光機(jī)理、LED在大電流注入下的電流噪聲特性,以及在高電流密度注入下LED的質(zhì)量與可靠性評(píng)估具有重要的研究意義.本文采用低頻噪聲對(duì)LED高電流密度注入下的載流子輸運(yùn)行為和低頻g-r噪聲的行為之間的相關(guān)性進(jìn)行了研究.

圖1 p-n結(jié)型LED發(fā)光原理圖Fig.1.Principle schematic of p-n junction LED.

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所采用的LED均是采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(metal-organic chemical vapor deposit,MOCVD)技術(shù),以異質(zhì)外延的方式生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底之上.具體的生長(zhǎng)工藝如文獻(xiàn)[13]所示,對(duì)LED的低頻噪聲測(cè)試是在西安電子科技大學(xué)噪聲檢測(cè)與無(wú)損診斷實(shí)驗(yàn)室完成的.在LED的低頻噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)中,測(cè)試頻率的范圍為1—100 kHz,測(cè)試電流的范圍為0.1—180 mA.為了保證電流值的精確性,對(duì)LED串聯(lián)了一個(gè)可變電阻Rd,其阻值范圍為10—10000 Ω;相應(yīng)的前置偏壓的范圍為0.1—3.0 V,通過(guò)改變串聯(lián)電阻的大小實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟LED并逐漸增大電流的目的.根據(jù)圖2所示的低頻噪聲測(cè)試原理,電流噪聲的功率譜密度SI(power spectral density,PSD)為

式中,SI為測(cè)試的電流噪聲PSD (單位為A2/Hz);NV_MEAS為測(cè)試的電壓噪聲PSD (單位為圖2中CAMP為放大器;RF為可調(diào)節(jié)并聯(lián)電阻器;Digitizer為數(shù)字化的數(shù)據(jù)處理設(shè)備.通過(guò)(1)式和圖2,可以獲得不同電流下LED的噪聲PSD.

圖2 LED低頻噪聲測(cè)試原理圖Fig.2.Measurement schematic of low frequency noise for LED.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 伏安特性

圖3給出了室溫下對(duì)LED進(jìn)行光致發(fā)光(photoluminescence,PL)測(cè)試的結(jié)果.從圖3可以看出,LED發(fā)光的峰值波長(zhǎng)為428 nm,屬藍(lán)紫光范疇.電學(xué)性能測(cè)試的伏安(V-I)特性曲線(xiàn)如圖4所示.從圖4可以看出,當(dāng)施加約2.52 V的正向偏置時(shí),LED開(kāi)始發(fā)光.

在正向偏置電壓U下(2 ＜U＜ 6),LED的理想因子γ為[14]

式中,Rp為并聯(lián)電阻,Rs為串聯(lián)電阻,Is為反向飽和電流,kB為玻爾茲曼常數(shù),T為開(kāi)氏溫度,I為流經(jīng)二極管的電流,q為真空中的單位靜電荷.根據(jù)文獻(xiàn)[15]中的LED模型,結(jié)合圖4的曲線(xiàn)可知,實(shí)驗(yàn)中LED的寄生電阻可忽略不計(jì).通常情況下,Rp的數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)大于Rs.(2)式可改寫(xiě)為

圖3 LED室溫PL測(cè)試Fig.3.PL measurement at room temperature.

圖4 LED的V-I特性測(cè)試曲線(xiàn)Fig.4.V-Icharacteristic transfer curve of LED.

根據(jù)(3)式對(duì)V-I特性曲線(xiàn)進(jìn)行擬合,得到LED的理想因子γ=5.43,這表明LED內(nèi)部存在串聯(lián)電阻的特性.眾所周知,當(dāng)理想因子γ=1時(shí),LED中擴(kuò)散電流占主導(dǎo)地位;當(dāng)理想因子γ=2時(shí),LED中復(fù)合電流占主導(dǎo)地位.但是實(shí)際上,LED的理想因子γ通常遠(yuǎn)大于2.高的理想因子不能用擴(kuò)散理論和復(fù)合理論進(jìn)行解釋,而必須采用隧穿理論進(jìn)行解釋,此時(shí)隧穿電流變得更加重要.在LED施加正向偏置時(shí),由于一部分電壓降在LED的串聯(lián)電阻Rs上,使得外加電壓引起的勢(shì)壘降低會(huì)小一些,結(jié)區(qū)周?chē)谋砻娣禽椛鋸?fù)合引起了一些附加電流[15].因此,LED正向V-I特性用一個(gè)非理想的二極管方程描述：

式中,Inr0是反向非輻射復(fù)合電流;In,Ip,In0,Ip0,Inr分別為電子對(duì)電流的貢獻(xiàn)、空穴對(duì)電流的貢獻(xiàn)、反向電子電流、反向空穴電流及非輻射復(fù)合電流.注入到工作區(qū)的一些載流子可能會(huì)發(fā)生非輻射復(fù)合而降低內(nèi)量子效率,Auger復(fù)合是一種本征的非輻射復(fù)合過(guò)程.在Auger復(fù)合中,電子空穴對(duì)釋放的能量被多數(shù)載流子(即n型材料中的電子和p型材料中的空穴)吸收.但是在發(fā)射可見(jiàn)光的寬禁帶半導(dǎo)體中,Auger過(guò)程相對(duì)較弱,非輻射復(fù)合主要是來(lái)源于深雜質(zhì)能級(jí).

3.2 低頻噪聲特性

為了進(jìn)一步研究電流注入下LED的低頻噪聲特性,對(duì)LED分別施加了不同大小的電流(0.1,10,27,50,80和180 mA),并測(cè)量了不同電流注入下LED中的低頻電流噪聲,測(cè)試結(jié)果如圖5所示.從圖5可以看出,隨著測(cè)試電流的逐漸增加,LED的低頻電流噪聲也逐漸增加.當(dāng)電流從0.1 mA逐漸增大到27 mA時(shí),電流噪聲功率譜具有g(shù)-r噪聲的特征,而且隨著電流的逐漸增大,g-r噪聲的特征逐漸消失.當(dāng)測(cè)試電流增加到50 mA時(shí),低頻噪聲的行為接近于標(biāo)準(zhǔn)的閃爍噪聲(即1/f噪聲,此時(shí)γ=1).文獻(xiàn)[16,17]認(rèn)為,當(dāng)電流越小(小于0.1 mA)時(shí),LED低頻電流噪聲的行為具有接近產(chǎn)生g-r噪聲的趨勢(shì),引起這種噪聲變化的原因是由于非輻射復(fù)合的隧穿過(guò)程,這種非輻射復(fù)合的隧穿過(guò)程是由于擴(kuò)展的缺陷體系延伸到了LED的光學(xué)活性區(qū).在低電流注入下,g-r噪聲在低頻噪聲中是主要的噪聲機(jī)制,它起源于p-n結(jié)勢(shì)壘之間復(fù)合電流的漲落[18-21].

圖5 InGaN/GaN LED的電流噪聲PSD與頻率的關(guān)系圖Fig.5.Relationships between current PSD and frequency for InGaN/GaN LED.

從圖5還可知,在電流大于27 mA時(shí),InGaN/GaN MQW LED中低頻1/f噪聲的成分在逐漸增加;而在電流為0.1—27 mA時(shí),低頻噪聲中的g-r噪聲源的成分在逐漸降低.一般情況下,電子器件中的低頻噪聲是由三部分構(gòu)成[18-20],如下式所示：

式中,第一項(xiàng)A為白噪聲的幅值;f為頻率;第二項(xiàng)為閃爍噪聲(flicker noise)項(xiàng),B為閃爍噪聲的幅值,γ為閃爍噪聲的頻率指數(shù)因子,當(dāng)γ=1時(shí)為1/f噪聲,表明載流子之間的產(chǎn)生與復(fù)合達(dá)到平衡;第三項(xiàng)為L(zhǎng)orentzian噪聲,C為L(zhǎng)orentzian噪聲的幅值,f0=1/(2πτ0)為g-r噪聲的轉(zhuǎn)折頻率,其中τ0為L(zhǎng)orentzian噪聲的時(shí)間常數(shù),α為L(zhǎng)orentzian噪聲的頻率指數(shù)因子,當(dāng)α=2時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)的g-r噪聲.采用(5)式對(duì)LED的電流噪聲PSD進(jìn)行頻率范圍為1—100000 Hz曲線(xiàn)擬合,擬合曲線(xiàn)如圖6所示,低頻噪聲(包括1/f和g-r)參數(shù)的提取結(jié)果如表1所列.

圖6 根據(jù)(5)式擬合g-r噪聲參數(shù)Fig.6.Fitting results of g-r noise using Eq.(5).

從表1可以看出,隨著電流的不斷增大,樣品中白噪聲的幅值(A=4KBTR)變化很小,這表明整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的溫度和樣品的電阻保持穩(wěn)定,背景噪聲的影響較小.而1/f噪聲的幅值A(chǔ)隨著電流的增大而增大;閃爍噪聲的指數(shù)因子γ隨測(cè)試電流的增大而逐漸從0.65逐漸增大到0.83,0.90,0.95和1.09,說(shuō)明在大電流注入下,樣品中的低頻噪聲行為逐漸成為1/f噪聲.當(dāng)電流從0.1 mA逐漸增大到27 mA時(shí),低頻Lorentzian噪聲的成分逐漸演進(jìn)為g-r噪聲(Lorentzian噪聲的頻率指數(shù)因子從1.84變化到2.02),且只有一個(gè)特征頻率,表明LED中的g-r噪聲源自于禁帶中的一個(gè)缺陷能級(jí).對(duì)于極性MQW結(jié)構(gòu)LED而言,在外加正向偏置電壓時(shí),能帶結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生傾斜,對(duì)于費(fèi)米能級(jí)的位置也將發(fā)生改變,從而使雜質(zhì)能級(jí)與費(fèi)米能級(jí)交叉點(diǎn)的位置發(fā)生變化.因此,g-r噪聲的特征頻率發(fā)生了改變,g-r噪聲的幅值逐漸從 1.32×10-19增大到4.07×10-17.從表1還可以看到,對(duì)g-r噪聲而言,隨著注入電流的逐漸增大,特征頻率變得越來(lái)越低,這意味著g-r噪聲的時(shí)間常數(shù)越來(lái)越大;反之,當(dāng)雜質(zhì)能級(jí)越靠近能帶中間時(shí),由于雜質(zhì)能級(jí)近似等于Ei,即相當(dāng)于本征狀態(tài)n0=p0=ni,故f0越小[21-23].

表1 根據(jù)(4)式提取出的低頻噪聲參數(shù)Table 1.Extraction results of low-frequency noise using Eq.(4).

表2 低頻1/f噪聲和g-r噪聲參數(shù)與電流之間的指數(shù)關(guān)系Table 2.Exponent relationships between parameters of 1/fnoise and g-r noise and measured currents.

根據(jù)表1的提取結(jié)果,對(duì)1/f噪聲和g-r噪聲的參數(shù)與電流之間的相關(guān)性進(jìn)行分析,結(jié)果如表2所示.

從表2可以看出,隨著電流的逐漸增大,1/f噪聲和g-r噪聲的幅值B與電流I之間的相關(guān)性越來(lái)越大,這與圖5及文獻(xiàn)中的結(jié)論是一致的.圖7對(duì)測(cè)試LED的電流噪聲PSD漲落SI/I2與電流I之間的相關(guān)性進(jìn)行了分析.從整個(gè)測(cè)試電流的范圍來(lái)看,SI/I2與電流I之間呈二次函數(shù)的關(guān)系,但是在高電流范圍內(nèi)(電流大于10 mA時(shí)),兩者之間具有良好的線(xiàn)性關(guān)系,這與文獻(xiàn)[23,24]中的結(jié)論是一致的.即在低電流階段,LED中的低頻噪聲主要來(lái)自于g-r噪聲,隨著電流的增大,1/f噪聲逐漸成為低頻噪聲中的主要起源.

圖7 電流噪聲PSD漲落SI/I2與電流I之間的關(guān)系演變Fig.7.Fluctuation evolution relationships of current PSD SI/I2 and currentI.

4 結(jié) 論

本文對(duì)LED的電流噪聲進(jìn)行了測(cè)試,電流范圍為0.1—180 mA.根據(jù)電流噪聲的特點(diǎn),結(jié)合LED中載流子的產(chǎn)生-復(fù)合機(jī)制,通過(guò)對(duì)低頻電流噪聲PSD的擬合,探討了高電流注入下LED的載流子產(chǎn)生與復(fù)合機(jī)制.結(jié)果表明,隨著電流從0.1 mA逐漸增大到27 mA,LED中的電流噪聲具有低頻g-r噪聲的特性;當(dāng)電流逐漸增大到50 mA時(shí),電流噪聲的行為開(kāi)始接近于低頻1/f噪聲.根據(jù)載流子的復(fù)合機(jī)制,結(jié)合LED中低頻噪聲的結(jié)電流模型,從理論上分析了LED在高電流注入時(shí)的轉(zhuǎn)折頻率的變化規(guī)律.本文的結(jié)果提供了一種表征InGaN/GaN MQW LED發(fā)光機(jī)制轉(zhuǎn)變的有效手段,為提高其發(fā)光量子效率提供理論依據(jù).