p-GaN插入層調(diào)控InGaN基黃綠雙波長(zhǎng)LED發(fā)光光譜

魏鐸壘，張建立，劉軍林，王小蘭，吳小明，鄭暢達(dá)，江風(fēng)益

(南昌大學(xué)國(guó)家硅基LED工程技術(shù)研究中心，江西南昌 330047)

1 引 言

近年來(lái)，Ⅲ-Ⅴ族氮化物L(fēng)ED因其體積小、高效節(jié)能及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)引起眾多研究學(xué)者的廣泛關(guān)注，具有巨大的商業(yè)價(jià)值，被廣泛應(yīng)用于背光照明、顯示、陣列投影和道路照明等領(lǐng)域[1-6]。隨著外延和芯片技術(shù)的迅速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)于照明的要求已經(jīng)由高亮度、高光效逐漸轉(zhuǎn)向更加節(jié)能、健康、智慧的人因照明模式。傳統(tǒng)白光照明方式主要是通過(guò)藍(lán)光LED芯片與熒光粉配合形成白光，雖然其光電轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)白熾燈和日光燈，但是存在顯色指數(shù)、色溫和光效之間難以協(xié)調(diào)發(fā)展的問(wèn)題，且短波長(zhǎng)藍(lán)光占比較大，容易出現(xiàn)視覺疲勞，因此這種照明方式目前已經(jīng)受到越來(lái)越多的挑戰(zhàn)[7-10]?；谌雽?dǎo)體電致發(fā)光的多基色LED混合白光照明模式由于其獨(dú)有的潛力已經(jīng)受到科研人員廣泛的關(guān)注。InGaN基LED發(fā)展迅速，目前藍(lán)光LED的外量子效率已經(jīng)達(dá)到80%以上[11]，綠光 LED 也已經(jīng)超過(guò) 50%[12]，黃光LED的最高效率也已經(jīng)超過(guò)30%[13]。InGaN基LED效率的不斷提升促進(jìn)了無(wú)熒光粉型多基色LED混光型白光照明的發(fā)展，然而多基色混合LED存在混光不均勻，生產(chǎn)成本比較昂貴及驅(qū)動(dòng)電路較為復(fù)雜等問(wèn)題[14]。為了解決上述多基色混光型LED照明存在的問(wèn)題，一種可行的解決方案是提供單芯片多色光LED芯片。因此，研究高亮度、高效率的InGaN基黃綠雙波長(zhǎng)LED不僅可以簡(jiǎn)化電路、解決混光不均勻、大幅提升光品質(zhì)，而且還能夠填補(bǔ)“黃綠光鴻溝”[13-16]，具有一定的實(shí)際意義。因此，有研究人員通過(guò)生長(zhǎng)復(fù)合量子阱對(duì)雙波長(zhǎng)LED的光電性能進(jìn)行了研究[17-20]。Liu 等[19]通過(guò)減小藍(lán)綠兩套量子阱之間量子壘的厚度來(lái)調(diào)控載流子分布，將集中分布在更靠近p型層的空穴引導(dǎo)注入靠近n型層的綠光量子阱中，實(shí)現(xiàn)了20 mA下藍(lán)、綠光同時(shí)發(fā)射。Hussein等[20]通過(guò)在藍(lán)、綠和紅光三套量子阱之間生長(zhǎng)ICBL(Spacer carrier bocking layers)來(lái)調(diào)控載流子在有源區(qū)的分布，將載流子限制在不同的量子阱內(nèi)。關(guān)于調(diào)控復(fù)合量子阱內(nèi)載流子分布的研究很多，然而對(duì)于黃綠雙波長(zhǎng)LED，有關(guān)研究非常少，因此本文通過(guò)改變電子阻擋層前p-GaN插入層的厚度，研究了p-GaN插入層的厚度變化對(duì)黃綠雙波長(zhǎng)LED載流子分布及外量子效率的影響，通過(guò)LED變溫電致發(fā)光測(cè)試系統(tǒng)(EL和VTEL)對(duì)LED光電性能進(jìn)行了表征。本文利用變溫EL光譜研究了p-GaN插入層厚度對(duì)黃綠雙波長(zhǎng)LED有源區(qū)載流子分布的影響規(guī)律，對(duì)黃綠雙波長(zhǎng)LED的進(jìn)一步研究以及將來(lái)實(shí)現(xiàn)單芯片多色光具有一定的指導(dǎo)作用。

2 實(shí) 驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)引入p-GaN插入層調(diào)控空穴注入深度，通過(guò) MOCVD外延生長(zhǎng)系統(tǒng)在圖形化 Si(111)面上生長(zhǎng)InGaN基黃光LED外延薄膜材料，Ga源、In源和N源分別為三甲基鎵(TMGa)、三乙基鎵(TEGa)、三甲基銦(TMIn)和氨氣(NH3)。外延層的結(jié)構(gòu)如圖1所示。由下至上依次為硅(111)襯底、厚度為100 nm的AlN緩沖層、厚度為3 μm的Si摻雜的n型GaN層、厚度為5 nm的In0.1Ga0.9N與厚度為2 nm的GaN組成的周期數(shù)為32的InGaN/GaN超晶格、厚度為2.5 nm的In0.3Ga0.7N與厚度為11 nm的GaN組成的周期數(shù)為7的InGaN/GaN黃光量子阱、厚度為2.75 nm的In0.25Ga0.75N與厚度為11 nm的GaN組成的InGaN/GaN綠光量子阱、厚度變化的p-GaN插入層、厚度為10 nm的p-Al0.2Ga0.8N電子阻擋層 (EBL)、厚度為70 nm的Mg摻雜1E20/cm3的p型GaN層。其中p-GaN插入層的厚度分別為0，10，30 nm，摻 Mg量均為5E19/cm3，3 個(gè)樣品編號(hào)分別為A、B和C。樣品是通過(guò)襯底剝離工藝被制作成垂直結(jié)構(gòu)的薄膜型芯片，出光面為n-GaN面。采用Instrument Systems公司生產(chǎn)的型號(hào)為CAS140CT的光譜儀和型號(hào)為ISP250-211的積分球，Keithley公司生產(chǎn)的型號(hào)為Keithley2635A的恒流源及MMR公司的控溫系統(tǒng)，測(cè)試分析器件的電致發(fā)光性能。

圖1 三組樣品的外延結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic epitaxial structure of three samples

3 結(jié)果與討論

為了研究器件的光學(xué)特性與InGaN/GaN多量子阱有源區(qū)內(nèi)載流子隨注入電流密度增加其輻射復(fù)合的變化規(guī)律以及載流子輸運(yùn)之間的關(guān)系，對(duì)三組樣品的EL光譜進(jìn)行整理和分析。圖2(a)、(b)和(c)依次為100 K時(shí)樣品A、B和C在不同注入電流密度下的歸一化EL光譜曲線圖，能夠明顯觀察到三組樣品都具有兩套發(fā)光峰，分別為波長(zhǎng)是530 nm左右的綠光峰以及560 nm左右的黃光峰，且隨著電流密度的增加，三組樣品表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。圖2(d)為100 K下三組樣品的綠光峰與黃光峰的相對(duì)強(qiáng)度的比值隨電流密度的變化曲線。

圖2(a)、(d)表明樣品A隨著電流密度的增加，其綠光峰和黃光峰的比值持續(xù)增大，說(shuō)明有更多的載流子在末阱的位置發(fā)生輻射復(fù)合，主要原因可能是隨著電流密度的增加，電子數(shù)量比空穴增加的更明顯，導(dǎo)致在末阱附近電子數(shù)量明顯多于空穴，且電子質(zhì)量比空穴輕，遷移率更高，所以空穴在更靠近p型層的位置和電子發(fā)生輻射復(fù)合。當(dāng)電流密度從0.07 A·cm-2增加到10 A·cm-2，樣品A的綠光峰與黃光峰的比值從1.45%增大到69.6%，黃光峰依舊為主要發(fā)光峰;當(dāng)電流密度為20 A·cm-2，比值增大到131.73%，說(shuō)明綠光峰的強(qiáng)度已經(jīng)超過(guò)黃光峰，出現(xiàn)反轉(zhuǎn)成為了主要發(fā)光峰;當(dāng)電流密度從20 A·cm-2增加到50 A·cm-2，綠光峰一直為主要發(fā)光峰。此外，當(dāng)注入電流密度為0.07 A·cm-2時(shí)，綠光峰值波長(zhǎng)為539 nm，當(dāng)電流密度增加到50 A·cm-2時(shí)，綠光峰值波長(zhǎng)為506 nm，隨著電流密度的增加，其綠光峰藍(lán)移了33 nm。圖2(b)、(d)表明樣品B隨著電流密度從0.07 A·cm-2增加到20 A·cm-2，綠光峰與黃光峰的比值從1%增大到5.25%，原因與樣品A一樣，不再贅述;當(dāng)電流密度從20 A·cm-2增加到50 A·cm-2，比值卻從5.25%減小到2.89%。樣品C的變化規(guī)律和樣品B類似，隨著電流密度的增大，綠光峰與黃光峰的比值先增大后減小，與樣品B不同的是，樣品C綠光峰與黃光峰的比值開始減小時(shí)的電流密度為4 A·cm-2，比樣品B的20 A·cm-2提前，可能原因是p-GaN插入層的存在導(dǎo)致EBL對(duì)電子的限制能力減弱，且厚度越大，EBL對(duì)電子的限制能力就越弱，因此隨著電流密度的增大，電子數(shù)量明顯增加，部分電子泄露到p-GaN插入層，使得載流子在綠光量子阱的輻射復(fù)合減少，綠光峰減弱。結(jié)合圖2(a)、(b)、(c)三幅圖可以看出，樣品A隨著電流密度的增加，其綠光峰藍(lán)移了33 nm，而樣品B和C隨著電流密度的增大，綠光峰位置漂移很小，可能是因?yàn)樘幱诰G光阱和EBL之間的p-GaN插入層起到了一定的緩沖作用，減小了EBL對(duì)于綠光阱的應(yīng)力[21-23]，其次是因?yàn)榫G光阱前先生長(zhǎng)的黃光阱也可以起到緩沖應(yīng)力的作用，減小了綠光阱所受應(yīng)力[17]。對(duì)比可知，樣品A的綠光峰位置發(fā)生明顯藍(lán)移，可能是EBL對(duì)綠光阱的應(yīng)力較大導(dǎo)致。樣品B、C綠光峰漂移減少還有一個(gè)可能的原因是綠光量子阱中的載流子填充水平低，發(fā)光峰很低就是證據(jù);而樣品A綠光峰藍(lán)移大的一個(gè)原因就是綠光阱的填充越來(lái)越高。

圖2 100 K時(shí)，樣品A(a)、B(b)和C(c)在不同注入電流密度下的歸一化光譜曲線及三組樣品綠光峰與黃光峰相對(duì)強(qiáng)度的比值隨電流密度的變化曲線(d)。Fig.2 Normalized EL intensity(a-c)and green/yellow peak(d)of samples A，B and C.

圖3(a)、(b)、(c)分別對(duì)應(yīng)三組樣品在溫度100 K下電流密度依次為10，35，50 A·cm-2的歸一化光譜曲線，可以看出樣品A在100 K大電流密度下，綠光峰逐漸占據(jù)主導(dǎo)位置，且隨著電流密度的增大，綠光峰呈現(xiàn)出越來(lái)越強(qiáng)的趨勢(shì)。樣品B和樣品C在100 K大電流密度下，發(fā)光峰依舊以黃光峰為主，而綠光峰的強(qiáng)度隨著電流密度的增加呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。造成上述現(xiàn)象的主要原因可能是樣品A的綠光阱和EBL距離更近，其EBL對(duì)電子可以起到很好的限制作用;而樣品B和C的綠光阱與EBL之間的p-GaN插入層導(dǎo)致EBL對(duì)電子的限制作用減弱，使電子泄漏到p-GaN插入層，且p-GaN插入層可能由于缺陷較多，很難觀察到泄露峰。圖3(d)為三組樣品的歸一化IQE隨電流密度變化的曲線，可以發(fā)現(xiàn)在大電流密度下，樣品A有一個(gè)明顯的起伏，這是樣品A發(fā)光峰由黃光峰變化為綠光峰時(shí)的現(xiàn)象，與前面樣品A的光譜現(xiàn)象一致。

圖3 100 K時(shí)，三組樣品在10(a)，35(b)，50(c)A·cm-2電流密度下的歸一化光譜曲線及三組樣品的IQE隨電流密度的變化曲線(d)。Fig.3 Normalized EL intensity at forward current density of 10(a)，35(b)，50(c)A·cm-2and normalized IQE(d)of samples A，B and C.

圖4(a)、(b)、(c)依次對(duì)應(yīng) A、B、C 三組樣品在注入電流密度為5.5 A·cm-2時(shí)隨溫度變化的歸一化光譜曲線，可以看出溫度由300 K逐步降低到100 K時(shí)，三組樣品的綠光峰與黃光峰的比值都是越來(lái)越大的，原因可能是溫度降低時(shí)，空穴數(shù)量相較于電子數(shù)量將會(huì)大幅減少，導(dǎo)致空穴在更靠近p型層的位置和電子發(fā)生輻射復(fù)合發(fā)光，更難向深層注入。從圖中可以看出，300 K下樣品A綠光峰并不明顯，而樣品B和C在綠光峰位置出現(xiàn)了一定的凸起，相對(duì)強(qiáng)度大于樣品A，說(shuō)明p-GaN插入層有助于常溫下載流子在綠光量子阱處發(fā)生輻射復(fù)合;當(dāng)溫度為250 K時(shí)，三組樣品的綠光峰均比300 K時(shí)更加明顯，此外樣品A的綠光峰相對(duì)強(qiáng)度依舊小于樣品B和C，規(guī)律與300 K現(xiàn)象類似;當(dāng)溫度為200 K時(shí)，三組樣品都開始出現(xiàn)了比較明顯的綠光峰，然而相互之間差異不大，與300 K和250 K現(xiàn)象存在差異;當(dāng)溫度降到150 K時(shí)，三組樣品的綠光峰更加明顯;隨著溫度進(jìn)一步降低到100 K，樣品A的綠光峰相對(duì)強(qiáng)度明顯大于樣品B和C，可能原因是樣品B和C的EBL對(duì)電子的限制能力減弱，導(dǎo)致電子泄漏到了p-GaN插入層，不利于載流子在綠光量子阱處發(fā)生輻射復(fù)合。

圖4 5.5 A·cm電流密度下，A(a)、B(b)和C(c)三組樣品隨溫度變化的光譜曲線。Normalized EL intensity of samples A( a) ，B( b) and C(c) at a forward current density 5. 5 A·cm-2.-2

圖5是A、B和C三組樣品在室溫測(cè)試條件下的外量子效率 (EQE)隨電流密度變化的曲線，可以看出A、B和C三組樣品的EQE最大值分別為29.9%、29.2%和28.2%，呈現(xiàn)出依次減小的變化趨勢(shì)。原因可能是空穴主要集中在靠近p型層的位置，而由于p-GaN插入層的Mg濃度相對(duì)較低，其厚度越大，將會(huì)導(dǎo)致p型層的位置越遠(yuǎn)離有源區(qū)，空穴注入的也就越淺，不能夠到達(dá)更深層次的黃光量子阱處;其次還可能存在的原因?yàn)榇笞⑷腚娏髅芏认拢瑯悠稡和C的EBL對(duì)電子限制能力減弱導(dǎo)致電子泄露到p-GaN插入層。這兩方面原因均不利于載流子的輻射復(fù)合，因此三組樣品的EQE呈現(xiàn)出了A＞B＞C的規(guī)律。

圖5 三組樣品在室溫下測(cè)得的外量子效率隨電流密度變化的曲線Fig.5 EQE curves of samples A，B and C.

4 結(jié) 論

通過(guò)MOCVD方法，在硅(111)襯底上生長(zhǎng)了InGaN基黃光LED外延材料，研究了電子阻擋層前p-GaN插入層的厚度變化對(duì)載流子分布的影響。結(jié)果表明，在100 K小電流下，隨著電流密度的增加，三組樣品的綠光峰越來(lái)越強(qiáng)，這是因?yàn)殡S著電流密度的增加，電子較空穴增加更明顯，空穴在更靠近p型層的位置和電子發(fā)生輻射復(fù)合;在大電流下，樣品A發(fā)光以綠光峰為主歸因于其EBL對(duì)電子的限制作用更明顯，而樣品B和C以黃光峰為主，有可能是p-GaN插入層的存在使EBL對(duì)電子的限制能力減弱，導(dǎo)致電子泄漏到了p-GaN插入層。三組樣品在5.5 A·cm-2電流密度下，隨著溫度的降低，綠光峰都是越來(lái)越強(qiáng)，這歸因于溫度降低時(shí)，空穴數(shù)量將大幅減少，導(dǎo)致其只能在更靠近p型層的位置和電子發(fā)生輻射復(fù)合。A、B和C三組樣品的EQE峰值分別為29.9%、29.2%和28.2%，呈現(xiàn)出依次減小的規(guī)律，主要原因可能為空穴主要集中在靠近p型層的位置，而由于p-GaN插入層的Mg濃度相對(duì)較低，其厚度越大，將可能會(huì)導(dǎo)致p型層的位置越遠(yuǎn)離有源區(qū)，空穴注入的也就越淺。綜合來(lái)看，電子阻擋層前p-GaN插入層可以影響載流子在有源區(qū)的分布以及減小器件EL光譜綠光峰的藍(lán)移，在黃綠雙波長(zhǎng)LED的光譜調(diào)控方面具有很好的參考價(jià)值。