袁照容，楊 旭，李金釵，李書(shū)平，周穎慧，康俊勇

（廈門大學(xué) 物理與機(jī)電工程學(xué)院，福建省半導(dǎo)體材料及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門361005）

GaN 基 發(fā) 光 二 極 管 （light－emitting diodes，LEDs）作為第四代綠色照明光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、體積小等特點(diǎn)，已得到廣泛應(yīng)用［1］.LEDs的發(fā)光波長(zhǎng)主要取決于半導(dǎo)體有源區(qū)材料的禁帶寬度，以AlGaN半導(dǎo)體材料為有源區(qū)（禁帶寬度Eg＝3.4～6.0eV）的紫外光LEDs發(fā)光波長(zhǎng)能夠覆蓋從近紫外波段到紫外波段（λ＝365～210nm）［2］，其在照明、殺菌、醫(yī)療、印刷、生化檢測(cè)、高密度的信息儲(chǔ)存和保密通信等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景［3－4］.然而，由高 Al組分AlGaN基材料構(gòu)成的紫外LEDs器件（ultraviolet LEDs，UV LEDs）光電轉(zhuǎn)換效率與可見(jiàn)光GaN基LEDs器件相比仍有較大差距［5］.主要原因在于Al－GaN晶體質(zhì)量不佳，外延半導(dǎo)體材料對(duì)紫外光的透射率低，背光反射電極的反射率不夠高，以及高Al組分AlGaN由于較高的受主激活能導(dǎo)致p－AlGaN電導(dǎo)率較低等［6］.由于AlGaN、AlN材料相對(duì)較高的電阻率造成UV LEDs的電流擁堵問(wèn)題尤為嚴(yán)重，有源區(qū)中大量的非輻射復(fù)合導(dǎo)致UV LEDs的自熱效應(yīng)更加明顯.再加之p－GaN和p－AlGaN對(duì)紫外波段光的嚴(yán)重吸收，因此，傳統(tǒng)的器件結(jié)構(gòu)并不適用于UV LEDs，亟需針對(duì)AlGaN材料特性進(jìn)行器件結(jié)構(gòu)的改造與設(shè)計(jì).本文綜合考慮器件中電流擴(kuò)展、自熱效應(yīng)和出光增強(qiáng)三方面的多物理場(chǎng)耦合關(guān)系，利用有限元方法建立了垂直結(jié)構(gòu)UV LEDs器件中的多物理場(chǎng)模型，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了能實(shí)現(xiàn)更高光效的UV LEDs器件結(jié)構(gòu)——分布式布拉格反射與小面積金屬接觸復(fù)合三維電極結(jié)構(gòu)（專利號(hào)：CN 102820398A）.通過(guò)計(jì)算分析表明，該器件結(jié)構(gòu)能夠明顯改善電流分布，具有優(yōu)良的散熱性能和較高的光提取效率.

1 計(jì)算方法和模型

分析半導(dǎo)體器件的核心物理方程［7］有：

其中，ψ為靜電勢(shì)函數(shù)，ε為介電常數(shù)，ρ為局域電荷密度.

其中，n（p）為電子（空穴）濃度，Jn（Jp）為電子（空穴）電流密度，Gn（Gp）和Rn（Rp）分別為電子（空穴）產(chǎn)生率與復(fù)合率.

其中，μn（μp）為電子（空穴）遷移率，φn（φp）為電子（空穴）的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)電勢(shì).

其中，ρL為材料密度，CL為材料比熱容，Jheat為熱流密度，Hheat為熱量密度.

根據(jù)材料性質(zhì)選取合適的物理模型，依據(jù)器件結(jié)構(gòu)設(shè)定合理的邊界條件，運(yùn)用有限元的方法，將器件進(jìn)行網(wǎng)格化，在每個(gè)格點(diǎn)上，聯(lián)立上述4個(gè)方程進(jìn)行求解，原則上就能分析所有的器件物理問(wèn)題.本文正是基于該方法對(duì)UV LEDs器件進(jìn)行多物理場(chǎng)分析.

器件結(jié)構(gòu)建模的關(guān)鍵在于選取恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ?，包括LEDs外延材料的能帶模型、遷移率模型、載流子復(fù)合模型、自熱效應(yīng)模型等.本文計(jì)算所采用的能帶模型是Chuang等利用k·p算法建立的在應(yīng)力場(chǎng)影響下的纖鋅礦半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)模型［8－9］.在遷移率模型中，Caughey等最先建立了Si材料中遷移率隨著摻雜濃度和溫度變化的解析關(guān)系［10］.本文采用Farahmand等運(yùn)用蒙特卡洛模擬方法對(duì)Caughey－Thomas模型進(jìn)行了修正，使其適用于GaN基半導(dǎo)體材料［11］.載流子復(fù)合模型包括有源區(qū)量子阱自發(fā)輻射復(fù)合模型、與缺陷有關(guān)的非輻射復(fù)合——Shockley－Read－Hall（SRH）復(fù)合及載流子濃度有關(guān)的非輻射復(fù)合——俄歇復(fù)合［12］.而對(duì)于自熱效應(yīng)模型則主要包括由于晶格散射產(chǎn)生的焦耳熱、非輻射復(fù)合熱等［13］.

2 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析

本文選取實(shí)驗(yàn)中用MOVPE方法在c面藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的UV LEDs外延結(jié)構(gòu)：AlN復(fù)合基底生長(zhǎng)于藍(lán)寶石襯底上，隨后依序?yàn)?.75μm厚的n－Al0.6Ga0.4N層、3個(gè)周期的多層量子阱結(jié)構(gòu)（其阱層為5 nm厚的非摻雜Al0.35Ga0.65N、壘層為10nm厚的低摻雜n－Al0.56Ga0.44N）、1nm 的 p－Al0.8Ga0.2N 電子阻擋層、84nm 的 p－Al0.55Ga0.45N 層 以 及 20nm 的 p＋－GaN作為p電極歐姆接觸層［14］.由于藍(lán)寶石襯底本身絕緣，在計(jì)算時(shí)未考慮其具體厚度.首先采用有多物理場(chǎng)有限元方法對(duì)外延結(jié)構(gòu)中有源區(qū)內(nèi)載流子輻射復(fù)合率和電致發(fā)光譜（electroluminescence spectrum，EL）進(jìn)行了計(jì)算.由于電子和空穴在各個(gè)量子阱區(qū)域的濃度分布不均勻?qū)е赂鱾€(gè)量子阱的載流子輻射復(fù)合率不同，如圖1（a）所示，中間的量子阱（QW2），其空穴濃度高于靠近n型層的量子阱（QW3）而電子濃度又高于靠近p型層的量子阱（QW1），導(dǎo)致QW2中的載流子輻射復(fù)合率最高，發(fā)光最強(qiáng).因此，本文選取QW2作為器件水平方向上載流子輻射復(fù)合率的分析區(qū)域，同時(shí)選取EL發(fā)光譜峰位波長(zhǎng)296nm作為背反射鏡設(shè)計(jì)的參考波長(zhǎng).

由于紫外光對(duì)大多數(shù)半導(dǎo)體材料的吸收，使得大部分UV LEDs器件都采用倒裝結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu).其中，垂直結(jié)構(gòu)器件通過(guò)激光剝離藍(lán)寶石襯底，將n電極制作在剝離后的n型層上面作為出光面，同時(shí)在p電極一側(cè)鍍上金屬背反射鏡，可提高器件的光提取效率［15－16］.此外，垂直結(jié)構(gòu)的p和n型電極分別位于器件的兩邊，也減弱了臺(tái)面結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的電流擁堵問(wèn)題，提高了器件電流注入的均勻性，降低了器件產(chǎn)生的熱量.然而，常規(guī)的垂直結(jié)構(gòu)中，n型電極一般為塊狀電極，為了不影響器件出光，n電極的尺寸不能過(guò)大，再加上n型AlGaN層的電阻率相對(duì)較高，電子電流在n型層側(cè)向擴(kuò)展十分有限，電流在n型電極兩側(cè)邊緣仍然出現(xiàn)擁堵問(wèn)題.此外，雖然金屬Al在紫外波段具有很好的反射特性［17］，可以作為UV LEDs背反射鏡的候選材料.但是，Al本身作為電極卻難以與p－GaN層形成歐姆接觸，若在p－GaN層和Al反射鏡之間再插入Ni／Au的p型歐姆接觸層，Ni／Au對(duì)紫外光的吸收將導(dǎo)致背反射鏡的反射率嚴(yán)重降低.針對(duì)上述問(wèn)題，本文在傳統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)器件基礎(chǔ)上，結(jié)合器件電流分布、溫度控制及出光增強(qiáng)三方面因素，設(shè)計(jì)了一種分布式布拉格反射與小面積金屬接觸復(fù)合三維電極結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)更高光效的UV LEDs.該器件的具體結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，n型條形陣列接觸電極位于n－Al0.6Ga0.4N 層的正上方從下至上依次為金屬 Ti／Al／Ti三層結(jié)構(gòu)，厚度分別為20，200和5nm；由 HfO2／SiO2構(gòu)成的多層介質(zhì)分布式布拉格反射鏡（distributed braggs reflector，DBR）淀積在p－GaN 層表面；金屬Ni／Au構(gòu)成的小面積陣列作為p型歐姆接觸電極，間隔分布在DBR結(jié)構(gòu)之中，厚度均為20nm；金屬Al覆蓋在DBR和電極陣列的表面，使其既作為接觸電極陣列的互聯(lián)層又作為紫外光的金屬反射層.本文利用多物理場(chǎng)有限元方法對(duì)該器件結(jié)構(gòu)從n型電極結(jié)構(gòu)、反射基底結(jié)構(gòu)與p型電極結(jié)構(gòu)進(jìn)一步進(jìn)行了分析優(yōu)化.

2.1 n型條形陣列電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析

圖1 本文所采用的外延結(jié)構(gòu)發(fā)光特性和器件結(jié)構(gòu)Fig.1 The emission characteristics of epilayer structure and the profile of ultraviolet LEDs structure

對(duì)于可見(jiàn)光波段，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種樹(shù)葉脈絡(luò)形電極，大幅度提高了大功率GaN基發(fā)光二極管電流注入的均勻性（專利號(hào)：200610092944.1）.受此啟發(fā)，又設(shè)計(jì)了4種不同尺寸和間距的n型條形陣列電極.為了定量分析條形陣列電極對(duì)器件性能的改善，也對(duì)傳統(tǒng)塊狀n型電極的器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算，作為結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的垂直結(jié)構(gòu)LEDs，單個(gè)塊狀n型電極位于n型出光面的中心.芯片尺寸設(shè)計(jì)為500μm×500μm，2列條形電極寬度為25μm，間距150μm；5列條形電極寬度為10μm，間距為90μm；10列條形電極寬度為5 μm，間距40μm；25列條形電極寬度為2μm，間距18 μm.而塊狀電極的尺寸為50μm×50μm，所有n型電極金屬面積所占n型出光面的面積比例均為1%.5列條形電極的結(jié)構(gòu)如圖2（a）插圖所示.

圖2（a）給出了4種條形電極與塊狀電極的電流－電壓（I－V）關(guān)系.從I－V 曲線斜率可看出，條形陣列電極能有效降低器件整體的串聯(lián)電阻.等間距的電極陣列縮短電流在n－AlGaN層側(cè)向傳播的距離，減少了n－AlGaN層水平方向的電阻對(duì)器件整體串聯(lián)電阻的影響，使得電子能夠更加均勻地注入到器件，改善了n型層出光面的電流分布.而不同尺寸的條形電極的IV曲線略有區(qū)別，條形數(shù)目越多、間距越小，其串聯(lián)電阻也越低，25列條形電極要比2列條形電極的結(jié)構(gòu)略好.

由于器件載流子和聲子的相互作用，條狀陣列n型電極在改善器件的電流分布、提高電流注入效率的同時(shí)，也降低了器件的總體溫度.特別是在大電流注入時(shí)，4種電極設(shè)計(jì)的溫度差別愈為明顯，如圖2（b）所示.在100mA的注入電流下，塊狀n型電極器件的最高溫度達(dá)到了310K，2列條形電極n器件的最高溫度也達(dá)到了306.07K.而5列、10列和25列條形電極n器件的最高溫度只從室溫升高到303.46，303.24，303.50K.器件的主要兩大熱源焦耳熱和非輻射復(fù)合熱都與器件的電流密度密切相關(guān)，電流密度越高，所產(chǎn)生的熱量也就越多.可以看到，雖然采用了垂直結(jié)構(gòu)，整個(gè)p型電極鍵合金屬基板提高了散熱水平，但器件溫度在大電流注入下仍然有所升高.因此，器件的溫度控制對(duì)于大電流注入下工作的UV LEDs的穩(wěn)定性仍十分重要.

圖2 條形陣列和塊狀n電極結(jié)構(gòu)UV LEDs電學(xué)與熱學(xué)特性關(guān)系Fig.2 The electrical and thermal characteristics of the strip and square n－contact UV LEDs

盡管條形陣列n電極能明顯改善器件的電流分布和自熱效應(yīng)，然而隨著陣列數(shù)目的增加并不一定能提高器件整體的發(fā)光效率，即增加外量子效率.外量子效率是發(fā)射光子數(shù)和通過(guò)LEDs的電子束之比.明確地說(shuō)，它是內(nèi)量子效率、注入效率和光提取效率（light extraction efficiency，LEE）的乘積［18］.因此外量子效率的提升是涉及器件多物理場(chǎng)綜合因素共同作用的結(jié)果.圖3（a）是在100mA注入電流下，不同n器件在有源區(qū)中間一層QW2內(nèi)部載流子輻射復(fù)合率的截面分布情況.可以看出，隨著陣列數(shù)目的增多，平均每條陣列電極下方對(duì)應(yīng)的有源區(qū)注入電子數(shù)目減少進(jìn)而使得該有源區(qū)域產(chǎn)生的光子數(shù)目減少，塊狀n電極結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的輻射復(fù)合率的最高值為1.591×1026cm－3·s－1，而2列、5列、10列和25列條形n電極結(jié)構(gòu)的輻射復(fù)合率最高值則分別為1.564×1026，1.547×1026，1.544×1026，1.545×1026cm－3·s－1.與此同時(shí)，由于電流的橫向擴(kuò)展效應(yīng)，條形陣列數(shù)目與間距的變化引起有源區(qū)內(nèi)發(fā)光強(qiáng)度分布的不同.隨著電極陣列數(shù)目增多，間距減少，載流子輻射復(fù)合率分布起初會(huì)變得更為均勻，10列條形電極寬度為5μm，間距為40μm的結(jié)構(gòu)器件載流子輻射復(fù)合率分布最為均勻.然而當(dāng)25列電極結(jié)構(gòu)寬度減少為2μm，其間距（18μm）遠(yuǎn)小于器件的電流擴(kuò)展長(zhǎng)度時(shí)，相鄰電極間橫向電流的疊加效應(yīng)，使得載流子輻射復(fù)合率分布相對(duì)于10列陣列起伏更大.通過(guò)對(duì)圖3（a）各曲線相對(duì)于x軸的積分面積可以判定出不同結(jié)構(gòu)器件在100 mA電流注入下，在有源區(qū)內(nèi)產(chǎn)生光子數(shù)目的相對(duì)大小.塊狀、2列、5列、10列和25列條形n電極結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的積分面積分別為7.256，7.714 6，7.711 7，7.705，7.707，塊狀電極結(jié)構(gòu)的面積明顯小于陣列電極結(jié)構(gòu)，5列結(jié)構(gòu)的面積最大.由于器件的內(nèi)量子效率僅與其外延結(jié)構(gòu)相關(guān)，在內(nèi)量子效率相同的情況下，有源區(qū)產(chǎn)生光子數(shù)越多，說(shuō)明其具有更高的注入效率.因此5列n電極結(jié)構(gòu)器件具有最高的注入效率.

圖3 不同n型電極陣列間距d的LED器件的光電特性關(guān)系Fig.3 The typical electro－optical characteristics of LEDs with various n－contact spacing

另一方面，只有那些從器件表面提取出來(lái)的光子，才能轉(zhuǎn)化為器件的有效輸出功率.圖3（b）是采用光子追蹤法［19］結(jié)合多物理場(chǎng)有限元方法計(jì)算出塊狀n型電極和條形n型電極器件的LEE、輸出功率與注入電流的關(guān)系.盡管塊狀n電極器件LEE（最高達(dá)16.1%）要高于條形陣列器件的LEE（2列、5列、10列和25列最高的 LEE分別為15.7%，14.9%，11.1%和15.8%），然而條形陣列n電極能明顯改善器件的電流分布和自熱效應(yīng)，綜合器件的注入效率與LEE，從整體的發(fā)光強(qiáng)度來(lái)看，仍然是條形陣列n電極器件要明顯高于塊狀n電極器件.特別是5列條形n電極器件平衡了電流分布、溫度控制和出光增強(qiáng)三者之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了相對(duì)最高的輸出功率，在100mA下達(dá)到5.45mW.因此，5列條形n電極是更適用于該器件的合理設(shè)計(jì).

2.2 反射基底（全方位角反射鏡）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在可見(jiàn)光波段，垂直結(jié)構(gòu)LEDs常采用金屬Ag和Au作為背反射鏡材料，但這2種金屬材料在紫外波段都存在嚴(yán)重的吸收.金屬Al則在紫外波段具有很好的反射特性［17］，可以作為UV LEDs背反射鏡的候選材料.然而，Al本身作為電極卻難以與p－GaN層形成歐姆接觸，若在p－GaN層和Al反射鏡之間再插入Ni／Au的p型歐姆接觸層，背反射鏡的反射率會(huì)由于Ni／Au對(duì)紫外光的吸收而嚴(yán)重降低.除金屬材料外，DBR結(jié)構(gòu)由于沒(méi)有金屬反射鏡的吸收問(wèn)題，又可以針對(duì)不同波長(zhǎng)改變DBR材料的折射率或厚度來(lái)調(diào)整能隙位置，也可作為UV LEDs背反射鏡.然而，其反射率會(huì)隨著光入射角度和光的偏振性發(fā)生明顯變化.隨著入射角度的增加，高反截止波長(zhǎng)會(huì)向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)；而當(dāng)入射角度達(dá)到布儒斯特角TM模（p偏振光）的反射率則會(huì)降至0，導(dǎo)致總反射率（TM模＋TE模）／2，在布儒斯特角附近明顯降低.為了解決這一矛盾，我們?cè)O(shè)計(jì)了多層介質(zhì)膜＋金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)的全方位角反射鏡，在確保形成p型歐姆接觸的同時(shí)提高器件的光提取效率.其中背反射鏡材料選用Al，選取HfO2和SiO2分別作為紫外波段的高、低折射率材料［20］.同時(shí)，利用傳輸矩陣方法［17］分別計(jì)算分析具有不同周期數(shù)N的反射鏡對(duì)波長(zhǎng)296nm TE模和TM模光的角反射率.

圖4（a）為垂直入射光的反射譜，隨著N的增加反射率峰值逐步增加，當(dāng)N＝3時(shí)，在296nm波長(zhǎng)的反射率達(dá)到98.56%.隨著入射光角度變化，TE模式光的反射率在25°～45°之間會(huì)出現(xiàn)振蕩，如圖4（b）所示，且振蕩角度范圍隨著N增加而增大，N＝3時(shí)，振蕩角度范圍是27.2°～41.4°，但整體振蕩的幅度并不高，所有入射角度的反射率都高于88%；若角度進(jìn)一步增加則會(huì)在GaN／介質(zhì)界面出現(xiàn)全反射.而對(duì)于TM模式光，由于引入了介質(zhì)DBR，造成不同周期數(shù)下均出現(xiàn)了反射率的極低值，當(dāng)N＝2時(shí)，反射率的極低值最高（71.3%），而N＝3時(shí)，反射率的極低值為61.6%，如圖4（c）所示.盡管N＝2時(shí)的TM 模反射率的極低值要高于N＝3的情況，但比較0°～90°整個(gè)入射角范圍的平均反射率（圖4（d））可以發(fā)現(xiàn)，隨著N的增加，TE模的平均反射率基本不變，而TM模的平均反射率明顯增大，當(dāng)N由0（只有Al金屬層作為背反射鏡）增加至3（加入3個(gè)周期的DBR結(jié)構(gòu)）時(shí)，TM模的平均反射率由87%增加至95%.由此可見(jiàn)，多層介質(zhì)膜＋金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)的全方位角反射鏡能更有效地提高UV LEDs的LEE.理論上DBR周期數(shù)N 越多，全方位角反射鏡的平均反射率會(huì)越大，然而周期數(shù)越多則會(huì)由于介質(zhì)層的絕緣性和高熱阻性，影響器件的電流分布和溫度控制.因此，在本文中，選取中心波長(zhǎng)為296nm，周期數(shù)N＝3的DBR結(jié)構(gòu)，每層介質(zhì)膜的光學(xué)厚度為中心波長(zhǎng)1／4，HfO2和SiO2的厚度分別為38.1和50.4nm.

2.3 p型陣列電極的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

盡管條形n電極能夠改善垂直結(jié)構(gòu)器件的電流分布，然而在n電極下方的電流密度仍不可避免的會(huì)高于其他區(qū)域，使正對(duì)電極下方的有源層區(qū)域產(chǎn)生的光子數(shù)目最多.但由于金屬電極本身對(duì)光子的吸收，電極下方的光子不能有效地出射出器件表面，降低器件的光電轉(zhuǎn)換效率.通常在n型電極正下方制備不導(dǎo)電的電流阻擋層（current－blocking layer，CBL），能夠阻擋電流在電極下方的輸運(yùn)，使更多的電流注入到那些光子更易于出射出器件表面無(wú)電極遮擋的區(qū)域［18］.巧妙的是，由前文所述在靠近p電極上方的全方位角反射鏡結(jié)構(gòu)中恰好存在不導(dǎo)電的DBR結(jié)構(gòu).可以設(shè)想，若能合理設(shè)計(jì)DBR結(jié)構(gòu)在p型外延層的分布位置，便能使DBR結(jié)構(gòu)既作為背反射鏡又可作為電流阻擋層，使其在出光增強(qiáng)和電流分布兩個(gè)物理場(chǎng)領(lǐng)域同時(shí)發(fā)揮作用.由于DBR介質(zhì)層本身的導(dǎo)熱性較低，p型外延層與DBR相接觸的區(qū)域無(wú)法作為有效的熱量輸運(yùn)通道，DBR區(qū)域面積過(guò)大必定會(huì)影響器件的散射水平；若DBR區(qū)域面積過(guò)小，又無(wú)法起到良好的電流阻擋作用.為尋找到較為合適的DBR面積，我們?cè)O(shè)計(jì)了每個(gè)像素直徑為10μm，橫向間距d分別為10，40和100μm的圓形金屬陣列電極（如圖5（a）插圖所示），并模擬分析其器件結(jié)構(gòu)光電熱特性.金屬陣列電極的總面積占據(jù)器件總面積的比例分別為9.67%，4.02%和1.63%.

圖4 不同周期數(shù)N下全方位角反射鏡反射譜特性關(guān)系Fig.4 The reflective characteristics of omnidirectional reflector with different periodicity

從圖5（a）器件的I－V曲線斜率可看出，由于引入不導(dǎo)電介質(zhì)層，增加了器件串聯(lián)電阻，陣列間距d越大，電流橫向擴(kuò)展能力越弱.當(dāng)p型陣列電極間距小于器件的電流擴(kuò)展長(zhǎng)度Ls時(shí)，如d＝10μm時(shí)，p－GaN層能夠?qū)崿F(xiàn)比較均勻的電流分布和注入，100mA注入電流下的正向電壓為14.5V.而間距d＝100μm的器件結(jié)構(gòu)在100mA注入電流下的正向電壓增加到15.8V.與此同時(shí)，引入DBR層也會(huì)降低器件的散熱水平，陣列電極不僅傳輸載流子，也是器件熱量的輸運(yùn)通道，電極間距d增加使得在單位面積上的電極數(shù)目減少，熱量傳輸通道數(shù)目減少則會(huì)造成器件整體溫度的升高.如圖5（b）所示，d＝100μm時(shí)，整個(gè)器件僅有4×13個(gè)陣列電極作為散熱通道，其器件最高溫度在注入相同電流下要明顯高于其他2種結(jié)構(gòu).進(jìn)一步分析QW2水平方向上的載流子輻射復(fù)合率（圖5（c）所示），在100mA注入電流下，當(dāng)d＝100μm時(shí)，載流子輻射復(fù)合率最低值（0.436×1026cm－3·s－1）出現(xiàn)在n電極對(duì)應(yīng)的正下方量子阱區(qū)域，最高值（2.646×1026cm－3·s－1）則出現(xiàn)在p電極對(duì)應(yīng)的正下方量子阱區(qū)域，發(fā)光最強(qiáng)與最弱比值近6.06倍.當(dāng)間距d為40和10μm時(shí)，發(fā)光最強(qiáng)與最弱比值則分別1.53倍和1.06倍.上述分析表明電極間距越小，器件電流和發(fā)光分布更為均勻，散熱能力更強(qiáng)，具有更高的注入效率，即d＝10μm的結(jié)構(gòu)器件注入效率最高.

圖5 不同p型電極陣列間距d的LED器件的光電特性關(guān)系Fig.5 The typical electro－optical characteristics of LEDs with various p－contact spacing

另一方面，采用介質(zhì)DBR＋金屬?gòu)?fù)合反射鏡后，降低了光子在器件底部的吸收和透射，同時(shí)介質(zhì)DBR作為CBL，增強(qiáng)了光子在n電極表面出射幾率，提高了器件的LEE.陣列電極間距d越大，即復(fù)合反射鏡所占面積比例越高，LEE越高.如圖5（d）所示，d＝100μm器件結(jié)構(gòu)LEE最高能夠達(dá)到37.8%，相比于d＝40和10μm器件結(jié)構(gòu)LEE分別為36.4%和29.7%.結(jié)合圖5（a）、（b）可看出，該結(jié)構(gòu)器件的電流分布、溫度控制與出光增強(qiáng)之間存在相互競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，只專注單一物理場(chǎng)方面的改善，并不能有效提高器件整體的發(fā)光效率，需要在各物理場(chǎng)性能之間進(jìn)行平衡.從圖5（d）器件整體輸出功率來(lái)看，電極間距d＝40μm的器件結(jié)構(gòu)能夠較好地平衡各物理場(chǎng)之間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)最佳的光電轉(zhuǎn)換效率.在20和100mA注入電流下，其發(fā)光功率分別可達(dá)2.74和12.3mW，分別比d＝0時(shí)提高了124%和127%，比傳統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)UV LEDs的提高了204%和664%.由此說(shuō)明，我們所設(shè)計(jì)的新型UV LEDs器件結(jié)構(gòu)——分布式布拉格反射與小面積金屬接觸復(fù)合三維電極結(jié)構(gòu)，可有效地改善器件的散熱性能、注入效率和LEE，最終提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率.

3 結(jié) 論

本文在全面考慮器件的電流分布、自熱效應(yīng)及出光增強(qiáng)這3種物理場(chǎng)之間耦合關(guān)系的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型的UV LEDs器件結(jié)構(gòu)——分布式布拉格反射與小面積金屬接觸復(fù)合三維電極結(jié)構(gòu).該垂直結(jié)構(gòu)器件的特征在于n型電極為寬度10μm、間隔90μm的條形金屬陣列；p型則采用直徑Φ為10μm、間隔為40μm的圓形金屬陣列；在p型陣列電極之間填充有全方位角反射鏡，該反射鏡是由3個(gè)周期的HfO2／SiO2DBR介質(zhì)層和1層金屬Al層所構(gòu)成.通過(guò)計(jì)算分析表明，該器件結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的散熱性能，較高的注入效率和LEE.在20和100mA注入電流下，其發(fā)光功率分別可達(dá)2.74和12.3mW，分別比傳統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)UV LEDs提高了204%和664%.

［1］Nishida T，Saito H，Kobayashi N.Efficient and high－power AlGaN－based ultraviolet light－emitting diode grown on bulk GaN［J］.Applied Physics Letters，2001，79（6）：711.

［2］Taniyasu Y，Kasu M，Makimoto T.Aluminum nitride deep－ultraviolet lightemitting diodes［J］.NTT Technical Review，2006，4（12）：54－58.

［3］Nishida T，Saito H，Kobayashi N.Milliwatt operation of AlGaN－based single－quantum－well light emitting diode in the ultraviolet region［J］.Applied Physics Letters，2001，78（25）：3927.

［4］Würtele M A，Kolbe T，Lipsz M，et al.Application of GaN－based ultraviolet－C light emitting diodes—UV LEDs—for water disinfection［J］.Water Research，2011，45（3）：1481－1489.

［5］Dobrinsky AShatalov MGaska R，et al.Physics of visible and UV LED devices［C］∥Lester Eastman Conference on High Performance Devices （LEC）.New York：IEEE，2012：1－4.

［6］Shur M S，Gaska R.Deep－ultraviolet light－emitting diodes［J］.Electron Devices，IEEE Transactions on，2010，57（1）：12－25.

［7］Piprek J.Semiconductor optoelectronic devices：introduction to physics and simulation［M］.UCSB：Academic Press，2003.

［8］Chuang S L，Chang C S.A band－structure model of strained quantum－well wurtzite semiconductors［J］.Semiconductor Science and Technology，1997，12（3）：252.

［9］Chuang S L，Chang C S.k·p method for strained wurtzite semiconductors［J］.Physical Review B，1996，54（4）：2491－2504.

［10］Shapiro S D.Carrier mobilities m silicon empirically related to doping and field［J］.Proceedings of the IEEE，1967，55（12）：2192－2193.

［11］Farahmand M，Garetto C，Bellotti E，et al.Monte Carlo simulation of electron transport in the III－nitride wurtzite phase materials system：binaries and ternaries［J］.E－lectron Devices，IEEE Transactions on，2001，48（3）：535－542.

［12］Yoshida H，Kuwabara M，Yamashita Y，et al.Radiative and nonradiative recombination in an ultraviolet GaN／AlGaN multiple－quantum－well laser diode［J］.Applied Physics Letters，2010，96（21）：211122.

［13］Ahmad I，Kasisomayajula V，Holtz M，et al.Self－h(huán)eating study of an AlGaN／GaN－based heterostructure fieldeffect transistor using ultraviolet micro－Raman scattering［J］.Applied Physics Letters，2005，86（17）：173503.

［14］Gao N，Lin W，Chen X，et al.Quantum state engineering with ultra－short－period（AlN）m／（GaN）n superlattices for narrowband deep－ultraviolet detection［J］.Nanoscale，2014，6（24）：14733.

［15］Kelly M，Ambacher O，Dimitrov R，et al.Optical process for liftoff of group III－nitride films［J］.Physica Status Solidi：A，1997，159（1）：R3－R4.

［16］Wong W S，Sands T，Cheung N W.Damage－free separation of GaN thin films from sapphire substrates［J］.Applied Physics Letters，1998，72（5）：599.

［17］唐晉發(fā)，顧培夫，劉旭.現(xiàn)代光學(xué)薄膜技術(shù)［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，2006：234.

［18］Schubert E F，Gessmann T，Kim J K.Light emitting diodes［M］.Hoboken：Wiley Online Library，2005：86.

［19］Hu F，Qian K Y，Luo Y.Far－field pattern simulation of flip－chip bonded power light－emitting diodes by a Monte Carlo photon－tracing method［J］.Applied Optics，2005，44（14）：2768－2771.

［20］鄧文淵，李春，金春水.電子束蒸發(fā)和離子束濺射 HfO2［J］.中國(guó)光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)，2010，3（6）：630－636.