羅長(zhǎng)得，嚴(yán)啟榮，李正凱，鄭樹(shù)文，牛巧利，章 勇

(華南師范大學(xué)光電子材料與技術(shù)研究所，廣東廣州510631)

近年來(lái)，由于氮化物白光發(fā)光二極管(LED)具有體積小、壽命長(zhǎng)、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，受到了極大的關(guān)注和發(fā)展.它被譽(yù)為繼白熾燈、熒光燈、氣體放電燈之后的第四代照明光源. 但LED 顯色指數(shù)較低不利于其發(fā)展.我國(guó)的LED 照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的顯色指數(shù)必須達(dá)到80，自然光的顯色指數(shù)為100.目前絕大部分白光LED 是通過(guò)藍(lán)光芯片發(fā)射的部分藍(lán)光激發(fā)YAG:Ce 黃色熒光粉產(chǎn)生黃光與部分未被吸收的藍(lán)光耦合成白光［1］，在高色溫情況下能滿足較高的光效和顯色性，但是在低色溫情況下，顯色指數(shù)一般不高于70. MIRHOSSEINI 等［2］通過(guò)模擬結(jié)果顯示基于雙藍(lán)光波長(zhǎng)芯片激發(fā)YAG:Ce 熒光粉，能在保持流明效率的同時(shí)得到高顯色指數(shù)的白光LED.本研究組采用混合多量子阱結(jié)構(gòu)的GaN 基雙藍(lán)光波長(zhǎng)芯片激發(fā)YAG:Ce 黃色熒光粉實(shí)現(xiàn)了白光LED，顯色性達(dá)到了88，但其發(fā)光光譜隨著驅(qū)動(dòng)電流的改變而變化［3］.

在GaN 基材料中，由于電子的有效質(zhì)量(0.2 m0)遠(yuǎn)低于空穴的有效質(zhì)量(1.1 m0)，使得電子的遷移率遠(yuǎn)大于空穴的遷移率，電子容易穿越活性層而堆積在靠近p-GaN 側(cè)的量子阱層，甚至溢流出有源層，相反，空穴比較難穿越活性層而限制在靠近p-GaN 側(cè)的量子阱，這樣使得電子和空穴的濃度在不同阱中分布不均勻，導(dǎo)致電子空穴復(fù)合發(fā)光絕大部分發(fā)生在靠近p-GaN 側(cè)的幾個(gè)量子阱內(nèi)，David等［4］通過(guò)光譜測(cè)量也證實(shí)了GaN 基多量子阱LED的復(fù)合區(qū)主要集中在靠近p-GaN 側(cè)的量子阱內(nèi). 這點(diǎn)在單波長(zhǎng)LED 結(jié)構(gòu)中電子空穴的分布不均勻?qū)﹄娭掳l(fā)光(EL)光譜影響不大，但在混合多量子阱的雙波長(zhǎng)LED 中電子空穴分布不均勻?qū)L 光譜產(chǎn)生嚴(yán)重影響. 本文采用數(shù)值模擬方法，通過(guò)在InGaN/GaN 混合多量子阱中的低In 組分AlGaN 壘層來(lái)優(yōu)化雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED 的性能，深入分析低In 組分Al-GaN 量子阱壘層對(duì)雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED 的發(fā)光效率、電子空穴濃度分布、發(fā)射光譜等方面的影響，探索光譜穩(wěn)定的高效率雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED 芯片的設(shè)計(jì)方法.

1 模擬參數(shù)與器件結(jié)構(gòu)

1.1 模擬參數(shù)

Crosslight 公司的半導(dǎo)體器件模擬專用軟件APSYS (Advanced Physical Models of Semiconductor Devices)［5］是利用各種物理模型模擬各項(xiàng)特性與結(jié)果. 在模擬中利用二維有限元分析方法，以漂移－擴(kuò)散模型和電流連續(xù)方程為基礎(chǔ)，結(jié)合邊界條件自洽解泊松方程，得到LED 器件的電學(xué)和光學(xué)特性.

本文使用的三元材料InGaN 和AlGaN 的能帶間隙為二元化合物的線性疊加和彎曲項(xiàng)［6］，由下式表示:

其中，Eg(InN)、Eg(AlN)與Eg(GaN)分別表示InN、AlN 與GaN 的能帶間隙，而B(niǎo)1和B2分別是InxGa1－xN 和AlxGa1－xN 的彎曲系數(shù).

在氮化物半導(dǎo)體器件各層界面中，考慮內(nèi)建極化效應(yīng)機(jī)制，其中極化效應(yīng)包括自發(fā)極化和壓電極化［7］. 在模擬中，三元材料InGaN 和AlGaN 的極化效應(yīng)公式如下:

自發(fā)極化為

壓電極化為

其中，

其中，ε 為基板與薄膜結(jié)構(gòu)間的應(yīng)變或稱晶格不匹配，表示為:

其中，asub為基板晶格常數(shù)，a 為薄膜晶格常數(shù).

在實(shí)際情況中由于內(nèi)部的極化電場(chǎng)會(huì)受到自由電荷、受激載流子、材料缺陷和雜質(zhì)的屏蔽與補(bǔ)償［8］，導(dǎo)致實(shí)際的極化電場(chǎng)值小于計(jì)算值，本文使用理論值的50%進(jìn)行模擬計(jì)算.

1.2 器件結(jié)構(gòu)

采用InGaN/GaN 混合多量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管用于實(shí)現(xiàn)雙藍(lán)光波長(zhǎng)發(fā)射，器件尺寸為300 μm×300 μm(圖1). 從下到上依次為GaN 緩沖層、厚度為2 μm 的μ-GaN、厚度為3 μm 的n-GaN 層(摻雜濃度為5 ×1018cm－3)、活性層、厚度為20 nm 的p-AlGaN 電子阻擋層(摻雜濃度為7 ×1017cm－3)、厚度為200 nm 厚的p-GaN 層(摻雜濃度為7 ×1017cm－3)，活性層包括2個(gè)周期的In0.18Ga0.82N/GaN 量子阱和2個(gè)周期的In0.12Ga0.88N/GaN 量子阱，所有量子阱的阱層和壘層厚度分別為3 nm 和12 nm(圖1A). 將低In 組分量子阱壘層用Al0.08Ga0.92N 層來(lái)替代GaN 壘層，而將介于高In 組分量子阱和低In組分量子阱之間的間隔層由原來(lái)12 nm 厚的GaN層改為6 nm 厚的GaN 層和6nm 厚的Al0.08Ga0.92N組成，其它結(jié)構(gòu)不變(圖1B).

圖1 雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED 的結(jié)構(gòu)Figure 1 Schematic structure of the dual-blue LEDs

混合多量子阱采用高In 組分量子阱在活性層底層的原因:一方面是由于量子阱的束縛作用與量子阱的深淺有關(guān)，In0.12Ga0.88N/GaN 量子阱相對(duì)In0.18Ga0.82N/GaN 量子阱較淺，對(duì)空穴的束縛作用較小，使部分空穴更容易注入到高In 組分的量子阱中，從而平衡高In 組分量子阱和低In 組分量子阱中的空穴濃度;另一方面，光從頂部發(fā)射而出，高In組分量子阱輻射發(fā)出的光子能量比低In 組分量子阱的小，可以降低高In 組分量子阱發(fā)出的光子在低In 組分量子阱的吸收. 本文通過(guò)數(shù)值模擬分析Al-GaN 層替代GaN 層作為低In 組分量子阱壘層對(duì)雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED 的影響，詳細(xì)對(duì)比了LED 光效和光譜的穩(wěn)定性.

2 結(jié)果與討論

2.1 AlGaN 作為低In 組分量子阱壘層對(duì)雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED 性能的影響

GaN 與AlGaN 分別作為低In 組分量子阱壘層時(shí)，雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED 的內(nèi)量子效率與電流的變化關(guān)系如圖2 所示. AlGaN 壘層能有效改善其發(fā)光效率在大電流下的衰減(Efficiency Droop). GaN 壘層其內(nèi)量子效率一直低于80%，并隨著電流的增大而減小. 而AlGaN 作為低In 組分量子阱壘層，其內(nèi)量子效率在3.45～120 mA 范圍內(nèi)卻一直保持在90 %以上，內(nèi)量子效率沒(méi)有明顯下降的趨勢(shì). 在120 mA時(shí)，AlGaN 壘層LED 的內(nèi)量子效率比GaN 壘層LED的高出23.7 %. 圖3 表示相應(yīng)雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED 發(fā)光功率隨電流的變化關(guān)系，器件的發(fā)光功率都隨電流的增大而增大，但是GaN 壘層LED 的發(fā)光功率增幅明顯低于AlGaN 壘層LED. 在120 mA 時(shí)，AlGaN 壘層LED 的發(fā)光功率比GaN 壘層LED 的高出26.8 mW.

GaN 和AlGaN 分別作為低In 組分量子阱壘層時(shí)，雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED 在120 mA 時(shí)電子和空穴的濃度分布如圖4 所示. 結(jié)果顯示，AlGaN 壘層能有效改善電子和空穴在混合多量子阱層的分布. 在圖4A 中，當(dāng)?shù)虸n 組分量子阱壘層使用AlGaN 壘層來(lái)替代GaN 壘層時(shí)，靠近間隔層的2個(gè)量子阱中電子濃度顯著提高，而靠近p-GaN 的低In 組分量子阱的電子濃度明顯降低. 此外，AlGaN 壘層可提高低In組分量子阱中的空穴濃度，特別是緊鄰間隔層的低In 組分量子阱的空穴濃度比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)LED 提高了9 倍以上，而其它量子阱的空穴濃度幾乎不變(圖4B). 這主要是由于低In 組分量子阱壘層用AlGaN替代GaN 改善了空穴的注入能力和低In 組分活性層對(duì)載流子的限制能力，導(dǎo)致各量子阱中的電子和空穴濃度都比較均勻.

圖2 GaN 壘層與AlGaN 壘層的雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED 的內(nèi)量子效率Figure 2 The internal quantum efficiency of two dual-blue LEDs with GaN barriers and AlGaN barriers

圖3 GaN 壘層與AlGaN 壘層的雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED 的發(fā)光功率Figure 3 The light output power of two dual-blue LEDs with GaN barriers and AlGaN barriers

圖4 雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED 在120 mA 時(shí)電子(A)和空穴(B)的濃度分布Figure 4 Concentration distribution of electron (A)and hole (B)in the two-blue LEDs at 120 mA

圖5 表示GaN 和AlGaN 分別作為低In 組分量子阱壘層的雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED 在120 mA 時(shí)的輻射復(fù)合率分布. 結(jié)果顯示，當(dāng)?shù)虸n 組分量子阱壘層使用AlGaN 替代GaN 后，緊鄰間隔層的低In 組分量子阱的輻射復(fù)合率增大，從而使其總輻射復(fù)合率迅速提高并達(dá)到與高In 組分量子阱的復(fù)合率相當(dāng). 在GaN 基材料中，由于空穴的遷移率遠(yuǎn)低于電子的遷移率，導(dǎo)致電子更容易穿過(guò)活性層而達(dá)到p-GaN側(cè). 從圖4 可以看出，傳統(tǒng)GaN 壘層LED 的所有量子阱層中空穴濃度明顯低于電子濃度，導(dǎo)致電子空穴在各個(gè)量子阱中不能平衡輻射，存在電子過(guò)剩的現(xiàn)象. 同時(shí)，由于載流子更容易被活性層中最深的量子阱捕獲，因此，低In 組分量子阱中的載流子濃度非常低，導(dǎo)致低In 組分量子阱的輻射復(fù)合率明顯低于高In 組分量子阱. 低In 組分量子阱壘層使用AlGaN 替代GaN，能有效提高空穴的注入能力和進(jìn)一步限制載流子在低In 組分量子阱中，AlGaN 層作為低In 組分量子阱壘層能顯著提高緊鄰間隔層的低In 組分量子阱中電子與空穴的濃度. 所以，Al-GaN 層作為低In 組分量子阱壘層能有效改善電子與空穴在混合量子阱活性區(qū)中的分布，從而實(shí)現(xiàn)電子與空穴在各量子阱中平衡輻射，最終減弱了雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED 的效率衰減效應(yīng)(圖2).

圖5 雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED 在120 mA 時(shí)的輻射復(fù)合率分布Figure 5 The radiative recombination rates of the two dual-blue LEDs at 120 mA

圖6 表示GaN 與AlGaN 作為低In 組分量子阱壘層的雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED 在120 mA 時(shí)的能帶圖和準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)圖. 在圖6A 中，由于在GaN 壘層、p-Al-GaN 電子阻擋層和p-GaN 層之間存在強(qiáng)極化電場(chǎng)，導(dǎo)致在p-AlGaN 層和p-GaN 層界面處價(jià)帶形成空穴集聚的凹口(notches)和在GaN 壘層與p-AlGaN層界面處形成了尖峰(spikes)［9］而阻礙了空穴的注入. 另外，GaN 壘層與p-AlGaN 層之間的極化電場(chǎng)降低了導(dǎo)帶處最后一個(gè)壘層的勢(shì)壘，減弱了在大電流下對(duì)電子的限制. 在圖6B 中AlGaN 替代GaN 作為低In 組分量子阱壘層卻抬高了導(dǎo)帶處最后一個(gè)壘層的勢(shì)壘，能更好減少電子溢流. AlGaN 作為低In 組分量子阱壘層的LED 價(jià)帶處的空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)比GaN 作為低In 組分量子阱壘層的LED 更接近導(dǎo)帶，因此進(jìn)一步提高了空穴的注入. AlGaN 壘層對(duì)提高空穴注入能力和增加對(duì)電子限制的作用與CHANG等［10］報(bào)道的AlGaN 在單一In 組分多量子阱活性層中壘層的作用相符合.

圖6 在120 mA 時(shí)雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED 的能帶圖和準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)Figure 6 Band diagrams and quasi-Fermi levels of the LEDs at 120 mA

從內(nèi)量子效率ηint的表達(dá)式［11］可以進(jìn)一步解釋大電流下AlGaN 層作為低In 組分量子阱壘層能改善器件的Efficiency Droop 效應(yīng).

其中，總的注入電流Ⅰ包括輻射復(fù)合電流Ⅰrad，非輻射復(fù)合電流Ⅰnr，俄歇復(fù)合電流ⅠAug和漏電流Ⅰleak. 低In 組分量子阱壘層使用AlGaN 層來(lái)替代GaN 壘層有效地提高了雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED 的輻射復(fù)合率(圖5)，即增大了輻射復(fù)合電流Ⅰrad，同時(shí)也減少了漏電流Ⅰleak，從式(12)可以得出內(nèi)量子效率ηint的Droop效應(yīng)得到顯著減弱.

圖7 為GaN 與AlGaN 作為低In 組分量子阱壘層的雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED 在不同電流下的自發(fā)發(fā)射率.在GaN 壘層的雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED 中，高In 組分量子阱和低In 組分量子阱的發(fā)射譜峰值均隨電流增大而增大，且高In 組分量子阱的峰值增幅明顯大于低In 組分量子阱的峰值增幅. 在電流為20 mA 時(shí)，高In 組分量子阱的發(fā)光峰峰值是低In 組分量子阱的2.2 倍;而當(dāng)電流增大到120 mA 時(shí)，高In 組分量子阱的發(fā)射譜峰值是低In 組分量子阱的1.8 倍(圖7A). 由于GaN 作為低In 組分量子阱壘層的LED時(shí)，電子和空穴濃度在各量子阱中分布不均衡，并存在電子過(guò)剩的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致高In 組分量子阱中的載流子輻射復(fù)合率比低In 組分量子阱強(qiáng). 隨著低In組分量子阱壘層用AlGaN 替代GaN，顯著提高了低In 組分量子阱中的載流子濃度，并使得電子空穴濃度在各量子阱中分布趨于均衡，從而實(shí)現(xiàn)雙藍(lán)光峰的均衡發(fā)射(圖7B).

2.2 AlGaN 壘層中不同Al 組分對(duì)光譜的影響

前述研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的低In 組分量子阱GaN 壘層的雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED 相比，AlGaN 作為低In組分量子阱壘層更能改善雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED 的性能，AlGaN 壘層中不同Al 組分導(dǎo)致低In 組分量子阱對(duì)載流子的限制能力不同，將進(jìn)一步調(diào)控雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED 發(fā)射光譜的穩(wěn)定性.

圖8 表示AlGaN 壘層中Al 組分分別為0.07 和0.09 時(shí)的自發(fā)發(fā)射率隨電流的變化關(guān)系. 結(jié)合圖7B(Al=0.08)，發(fā)現(xiàn)隨著Al 組分濃度的增加，低In組分量子阱的發(fā)射譜峰值也逐漸增大. 這說(shuō)明Al-GaN 壘層中Al 組分濃度的增加增強(qiáng)了低In 組分量子阱對(duì)載流子的限制能力. Al 組分為0.08 時(shí)，雙藍(lán)光光譜在小電流和大電流下均比較穩(wěn)定，而當(dāng)Al 組分為0.09 時(shí)，雙藍(lán)光光譜只在40～100 mA 電流范圍內(nèi)比較穩(wěn)定. 比較圖8 及圖7B，可以看出當(dāng)Al 組分為0.08 時(shí)可以實(shí)現(xiàn)雙藍(lán)光光譜的穩(wěn)定發(fā)射，這點(diǎn)對(duì)基于雙藍(lán)光波長(zhǎng)芯片激發(fā)YAG:Ce 熒光粉的白光LED 實(shí)現(xiàn)高顯色性和色溫的一致性非常重要.

圖7 在不同電流下雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED 的自發(fā)發(fā)射率變化Figure 7 The spontaneous emission rate of dual-blue LEDs at different forward current

圖8 不同Al 組分壘層的雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED 的自發(fā)發(fā)射率變化Figure 8 The spontaneous emission rate of dual-blue LEDs with different Al content of barriers at different forward current

3 結(jié)論

通過(guò)分析比較GaN 與AlGaN 作為低In 組分量子阱壘層來(lái)優(yōu)化雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED 的內(nèi)量子效率、發(fā)光功率、載流子濃度、輻射復(fù)合率和自發(fā)發(fā)射譜. 研究表明，AlGaN 作為低In 組分量子阱壘層能有效促使各量子阱的電子和空穴濃度達(dá)到均衡分布及減少電子溢流，實(shí)現(xiàn)電子空穴在各個(gè)量子阱中平衡輻射，從而改善了雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED 在大電流下的效率衰減效應(yīng). 此外，通過(guò)改變AlGaN 壘層中Al 的組分能進(jìn)一步優(yōu)化雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED 發(fā)光光譜的穩(wěn)定性，這對(duì)雙藍(lán)光波長(zhǎng)芯片激發(fā)YAG:Ce 熒光粉實(shí)現(xiàn)高顯色性白光LED 具有重要意義.

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