黃 永，李培咸，白俊春，王曉波

(1.西安電子科技大學(xué) 寬禁帶半導(dǎo)體重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710071;2.西安中為光電科技有限公司，陜西 西安 710071)

近年來(lái)，人們?cè)谔岣逩aN 基發(fā)光二極管(LED)的效率上做了大量研究工作。隨著LED 發(fā)光效率的提高，LED 已被廣泛應(yīng)用于背光照明，汽車(chē)頭燈和日常照明等領(lǐng)域［1］。為迎合高亮度光源需求，需設(shè)計(jì)出高光電轉(zhuǎn)換比的LED，由此引入如何提高LED 發(fā)光效率的問(wèn)題。限制LED 發(fā)光效率的原因很多，有源層中的載流子溢出到p 層是其主要原因之一［1－3］。通過(guò)在有源層和p 層間插入p－AlGaN 電子阻擋層(EBL)來(lái)抑制電子的溢出是一種解決辦法［1］。

要獲得足夠低的電子溢出比，p－AlGaN－EBL 必須擁有夠高的勢(shì)壘。當(dāng)AlGaN 的Al 組分確定時(shí)，由AlGaN 和GaN 組成的異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶帶階是一定的［4］，隨著勢(shì)壘材料AlGaN 的Al 組分的增加，AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶帶階會(huì)增加。p－AlGaN－EBL 和緊跟著的p 層所形成的異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶帶階，是p－AlGaN－EBL的勢(shì)壘高度的一部分，所以可以通過(guò)增加p－AlGaNEBL 的Al 組分來(lái)增加其勢(shì)壘高度，以獲得足夠低的電子溢出比。Hideki Hirayama［5－7］的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)嘗試使用AlN 或高Al 組分(Al 組分＞95%)的p－AlGaN層作為EBL。但即便p－AlGaN－EBL 有如此高的Al 組分，其勢(shì)壘高度依然不能滿(mǎn)足該團(tuán)隊(duì)抑制電子溢出的需求。而且就目前技術(shù)水平而言，Al 組分越高，結(jié)晶質(zhì)量越差。在高Al 組分的AlGaN 中摻入雜質(zhì)，又會(huì)更加惡化結(jié)晶質(zhì)量。眾所周知，EBL 對(duì)電子溢出的抑制能力隨著其結(jié)晶質(zhì)量的變差而減弱，所以一味追求高Al 組分的p－AlGaN－EBL 不能有效解決有源層電子溢出的問(wèn)題。

上述材料限制被認(rèn)為可以通過(guò)增加EBL 的有效勢(shì)壘高度來(lái)解決，辦法是引入多量子勢(shì)壘電子阻擋層(MQB－EBLs)——即在有源層和p 層間插入多個(gè)p－AlGaN電子阻擋層(EBL)，EBL 之間為p－GaN，如圖1 所示。Iga 等人［2］認(rèn)為MQB 能引起電子波函數(shù)的多反射效應(yīng)。若不考慮隧穿效應(yīng)，那么該效應(yīng)在能帶理論上的表現(xiàn)如下:電子要越過(guò)單個(gè)AlGaN－EBL，其所處能級(jí)需大于能級(jí)EEBL，而電子要越過(guò)多個(gè)同Al 組分的AlGaN－EBL 組成MQB－EBLs，其所處能級(jí)需大于能級(jí)Eeff。由Iga 等人理論計(jì)算出Eeff＞EEBL，并定義為Eeff對(duì)應(yīng)的勢(shì)壘高度為有效勢(shì)壘高度。該理論被Kishino 等人［8］在1991 年用GaInP/AlInP LDs 實(shí)驗(yàn)證明。近幾年，已經(jīng)有從實(shí)驗(yàn)［9］和仿真［10］上報(bào)道MQB能大幅提高內(nèi)量子效率(IQE)，進(jìn)而大幅提高LED 的光輸出功率(LOP)。

圖1 MQB－EBLs 在外延結(jié)構(gòu)中所處位置

已有團(tuán)隊(duì)報(bào)道［3］，EBL 的厚度是影響電子溢出比的一個(gè)關(guān)鍵因素，對(duì)電子溢出的抑制能力差。所以，足夠厚的EBL 被認(rèn)為是必須的，MQB－EBLs 也才能有效地抑制電子的溢出?？紤]到空穴的遷移實(shí)際是大量電子的遷移，如上文所述，MQB－EBLs 對(duì)電子有反射效應(yīng)，那么MQB－EBLs 對(duì)空穴的遷移也存在一定阻礙作用。這是不好的影響，原因是空穴越難注入有源層中，LED 發(fā)光效率越低。由于III 族－氮化物半導(dǎo)體的自身特性，AlGaN/GaN 的異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶帶階為兩種材料禁帶差值的0.65，而價(jià)帶帶階為其0.25［7］。顯而易見(jiàn)，這種材料做出的EBL 對(duì)電子的阻礙效果比對(duì)空穴的大很多。

如何能最大限度利用MQB－EBLs 抑制電子的溢出，同時(shí)減少對(duì)空穴注入的阻礙，是本文的核心。MQBEBLs 在結(jié)構(gòu)上與超晶格(SLs)相似，MQB－EBLs 的每個(gè)EBL 可等效為SLs 的勢(shì)壘層，而EBL 之間的層為量子阱層。本文通過(guò)借用SLs 模型來(lái)研究不同量子阱和勢(shì)壘層厚度的MQB－EBLs 對(duì)InGaN UV LED 效率的影響，來(lái)優(yōu)化MQB－EBLs 的量子阱和勢(shì)壘層厚度，目前少有相關(guān)報(bào)道。

1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中，一共在藍(lán)寶石襯底上制造了4 個(gè)InGaN UV LED 樣品，如表1 所示。樣品所使用的芯片除了MQB－EBLs 層有差異，其他層相同。實(shí)驗(yàn)使用型號(hào)為Cruis I 的MOCVD 進(jìn)行外延生長(zhǎng)，首先在藍(lán)寶石襯底上依次外延GaN 基的成核層，GaN 基的緩沖層和2 000 nm的n－GaN 層。之后開(kāi)始生長(zhǎng)周期厚度為15 nm，In 組分約為7.4%的InGaN/GaN 有源層。在有源層與p－GaN 層之間，插入MQB－EBLs。樣品1和樣品2 的MQB－EBLs 勢(shì)壘層與量子阱層等厚，分別為6 nm 和3 nm。樣品3 的量子阱層的厚度縮減到2 nm而勢(shì)壘層與樣品2 相同，為3 nm。樣品4 的量子阱層的厚度與樣品3 相同，為2 nm，而勢(shì)壘層縮減為1 nm。另外，MQB－EBLs 的各EBL 的Al 組分為15%，EBL 的個(gè)數(shù)為10 個(gè)。之后依次為200 nm 的p－GaN 層厚和ITO 層。本文所制樣品蒸鍍的是Ni/Au 電極。表1 同時(shí)還列出了外延片中GaN 的(002)和(102)搖擺曲線(xiàn)的半高寬(FWHM)。XRD 搖擺曲線(xiàn)的測(cè)試設(shè)備為Panalytical X'pertpro。

表1 EBL 參數(shù)及外延片中GaN 的(002)和(102)搖擺曲線(xiàn)的半高寬(FWHM)

2 結(jié)果及分析

由于MQB－EBLs 和SLs 在結(jié)構(gòu)上相似，所以本文基于Waldron 的工作［11］，借用其SLs 垂直電導(dǎo)模型分析MQB－EBLs 的量子阱和勢(shì)壘層厚度對(duì)LED 效率的影響。Waldron 認(rèn)為SLs 中電子的垂直電導(dǎo)公式為

考慮到價(jià)帶頂?shù)目昭傻刃閹д姾珊驼行з|(zhì)量的粒子，而導(dǎo)帶底的電子是帶負(fù)電荷和正有效質(zhì)量的粒子，所以可以繼續(xù)沿用上式分析MQB－EBLs對(duì)空穴的阻礙。由Kozodoy 等人［12－13］的報(bào)道可知，當(dāng)超晶格的量子阱層和勢(shì)壘層的厚度都分別由6 nm 減小到3 nm 時(shí)，空穴濃度變化不足5%。所以，本文假設(shè)樣品1、2 和3 的MQB－EBLs 的空穴濃度相同。

在維明LED－617 上，對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行了光電性能的測(cè)試，設(shè)備使用的是UV－100 測(cè)試探頭。LED 樣品在20 mA 電流下的正向電壓Vf和紫外光輸出功率(LOP)的測(cè)試結(jié)果如圖2 所示。4 個(gè)樣品的峰值波長(zhǎng)都為387 nm。

對(duì)比樣品1 和樣品2 的測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)量子阱和勢(shì)壘層的厚度都減小到3 nm 時(shí)，Vf減小，LOP 增大。當(dāng)MQB－EBLs 的量子阱和勢(shì)壘層厚度一樣時(shí)，簡(jiǎn)化式(1)可知垂直電導(dǎo)與量子阱層的厚度的冪指數(shù)成反比，即量子阱(勢(shì)壘)層越窄，垂直電導(dǎo)越好。Vf的減小被認(rèn)為是由于垂直電導(dǎo)的增加直接導(dǎo)致。認(rèn)為MQB－EBLs 的量子阱層(勢(shì)壘層)的厚度由6 nm 減小到3 nm 時(shí)，電子溢出比并沒(méi)有過(guò)多增加，然而空穴的電導(dǎo)得到加強(qiáng)，所以L(fǎng)OP 上升。

圖2 樣品的Vf 變化以及LOP 變化曲線(xiàn)

對(duì)比圖2 中的樣品2 和樣品3 的測(cè)試結(jié)果，當(dāng)量子阱層的厚度減小到2 nm 時(shí)，LOP 提升到8.47mW。認(rèn)為也可由式(1)解釋這個(gè)變化。當(dāng)量子阱厚和勢(shì)壘厚都很小時(shí)，式(1)中的LQW－LB≈0。簡(jiǎn)化后可知，量子阱層的厚度以及厚度的冪指數(shù)的乘積與垂直電導(dǎo)成反比。相比樣品2，樣品3 的量子阱層的厚度更薄，所以導(dǎo)致其空穴的電導(dǎo)增加，然而電子溢出比并沒(méi)有增加太多，進(jìn)而提高了LOP。顯然，當(dāng)量子阱的厚度不斷減小趨于0 時(shí)，整個(gè)MQB－EBLs 就變成了單個(gè)EBL，單層的EBL 沒(méi)有MQB 反射效應(yīng)，所以對(duì)電子溢出的抑制作用又會(huì)減弱。

進(jìn)一步減小勢(shì)壘厚度所制備的樣品4 的測(cè)試結(jié)果表明，雖然樣品4 的空穴的電導(dǎo)增加，直接表現(xiàn)為Vf下降，但是LED 的LOP 也降低了，如圖2 所示。這里L(fēng)OP 的下降被認(rèn)為主要是由于MQB－EBLs 抑制電子溢出的能力大幅減弱所致，而該能力的下降是因?yàn)閱蝹€(gè)的EBL 過(guò)薄。Lee［3］等人報(bào)道，當(dāng)EBL 厚度約減小到1 nm 時(shí)，電子溢出比達(dá)28%，而當(dāng)EBL 厚度為5 nm時(shí)電子溢出比僅為6.5%。相比之前的幾個(gè)樣品，更多的電子從樣品4 的有源層溢出到其MQB－EBLs 的量子阱層或者之后的p－GaN 層，使得部分電子與空穴在p－GaN 層產(chǎn)生復(fù)合，引起LOP 的降低。同時(shí)，由于樣品4 的MQB－EBLs 勢(shì)壘厚度小，空穴更易于以隧穿的方式穿越勢(shì)壘，使得MQB－EBLs 層空穴的縱向遷移率升高，進(jìn)而使得器件工作電壓降低。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了不同量子阱和勢(shì)壘層厚度的多量子勢(shì)壘電子阻擋層UV InGaN LED 的效率的影響。發(fā)現(xiàn)MQB－EBLs 的量子阱層的厚度為2 nm，勢(shì)壘厚度為3 nm時(shí)，LED 能獲得最大的光輸出功率，LOP=8.47 mW。過(guò)薄的量子阱和勢(shì)壘層厚度，會(huì)導(dǎo)致MQBEBLs 抑制電子溢出的能力大幅減弱，使更多的電子進(jìn)入到p－GaN 與空穴復(fù)合，因此能進(jìn)入到有源層進(jìn)行有效輻射復(fù)合的空穴減少，進(jìn)而使得LED 的LOP 下降。量子阱和勢(shì)壘層厚度過(guò)厚的MQB－EBLs 雖然有效抑制了有源層電子的溢出，但是其對(duì)空穴注入的阻礙效果變得顯著，也會(huì)使得空穴難以進(jìn)入有源層進(jìn)行有效復(fù)合，進(jìn)而使LED 的LOP 下降。此外，當(dāng)MQB－EBLs 的量子阱和勢(shì)壘層厚度增厚時(shí)，該層垂直電導(dǎo)減小，直接導(dǎo)致LED 在20 mA 下工作的正向電壓Vf上升。

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