賈惠玲 楚春雙 張紫輝

摘要 缺陷引起的非輻射復(fù)合會(huì)造成InGaN/GaN藍(lán)光發(fā)光二極管（LED）的光功率和外量子效率（EQE）降低，為了揭示其背后的物理原因，本文研究了Shockley-Read-Hall（SRH）復(fù)合相關(guān)的電子和空穴在多量子阱（MQWs）區(qū)域的復(fù)合過(guò)程，以及缺陷對(duì)于載流子注入效率的影響。研究結(jié)果表明載流子的注入效率非常容易受到LED中缺陷的影響，尤其是在LED結(jié)構(gòu)的p-GaN層和n-GaN層中。這將導(dǎo)致載流子被LED中的缺陷捕獲，從而以非輻射復(fù)合的形式被大量消耗。最終，大大降低了載流子注入到多量子阱區(qū)域的效率，也正是由于這個(gè)原因?qū)е铝薒ED的外量子效率隨之下降。此外，還研究了缺陷對(duì)漏電流的影響，研究結(jié)果表明缺陷可以作為L(zhǎng)ED的分流電阻，形成一個(gè)漏電通道，從而引起漏電流的產(chǎn)生。

關(guān) 鍵 詞 發(fā)光二極管; 缺陷; 載流子注入; 載流子復(fù)合

中圖分類(lèi)號(hào) TN312.8? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

Abstract The defect of Shockley-Read-Hall （SRH） nonradiative recombination will decrease the optical power and external quantum efficiency （EQE） for the InGaN/GaN light-emitting diodes （LEDs）. To reveal the reason， we model the SRH recombination from the process of electron-hole recombination in the multiple quantum wells （MQWs） and the effect of defects on the carrier injection. We find that the carrier injection efficiency is very strongly affected by the defects. Particularly， in the p-GaN and n-GaN layers for LED structures， the carries are captured by the defects and the nonradiative recombination consumes carriers. This in? turn? degrades? the? carrier injection efficiency into the InGaN/GaN MQWs and the external quantum efficiency for LEDs. We also model the influence of the defects on the leakage current， and find that the defects serve as shunt resistance， thus providing the current leakage paths.

Key words light-emitting diodes; defect; carrier injection; carrier recombination

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展十分迅猛，從Si、Ge等為代表的第一代間接帶隙半導(dǎo)體材料到以GaAs、InP等為代表的第二代直接帶隙化合物半導(dǎo)體材料，再到今天以GaN、ZnO為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體，均對(duì)半導(dǎo)體器件的快速發(fā)展奠定了夯實(shí)的基礎(chǔ)。其中，InGaN/GaN多量子阱發(fā)光二極管（LED）作為當(dāng)下最有前途和希望的新型固態(tài)光源，已經(jīng)逐漸取代了傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈。同時(shí)，GaN基III族氮化物發(fā)光二極管除了在生活照明領(lǐng)域的應(yīng)用以外，在交通信號(hào)指示、信息顯示、傳感器及通信等領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用。此外，它還能節(jié)省大量的能源，減少CO2和SO2的排放，因而可以有效地降低對(duì)環(huán)境的污染程度[1-2]。因?yàn)檫@些特點(diǎn)，InGaN/GaN藍(lán)光發(fā)光二極管在過(guò)去的幾十年間吸引了大量的關(guān)注，許多科學(xué)家和工業(yè)企業(yè)都投入了大量的精力來(lái)研究此器件，以期獲得較高光功率的LED[3-4]。但是目前仍有一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，即隨著注入電流的增大，器件的外量子效率會(huì)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這種現(xiàn)象被稱(chēng)之為效率衰退（Efficiency Droop）問(wèn)題[5-6]。為了在高電流注入的情況下提高器件的發(fā)光效率，同時(shí)抑制droop現(xiàn)象的產(chǎn)生，仍需要付出大量的努力來(lái)尋求解決問(wèn)題的方法。此前曾有大量的研究報(bào)告表明器件的功率衰退是由于俄歇復(fù)合（Auger Recombination）[7]和電子泄漏（Electron Leakage）[8]引起的。我們都知道俄歇復(fù)合率與載流子濃度的三次方成正比，因此為了抑制俄歇復(fù)合的產(chǎn)生，可以通過(guò)降低量子阱內(nèi)的載流子濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中一種有效的方法即為使量子阱的能帶變平緩，那么量子阱內(nèi)的載流子濃度就會(huì)降低，因而只要使量子阱的能帶傾斜程度得到緩解，俄歇復(fù)合就能被有效地抑制，器件的外量子效率也會(huì)得到提升。比較常見(jiàn)的方法主要有通過(guò)采用非極性的量子阱結(jié)構(gòu)，來(lái)減弱極化效應(yīng)[9];還有另外一種比較有效的方法就是沿著[0001]的生長(zhǎng)方向，采用合金組分漸變的InGaN/GaN量子阱[10]。而針對(duì)電子泄漏，其最普遍的原因還是由于用來(lái)阻止載流子泄漏的p型電子阻擋層（p-EBL）效果差引起的[11]。因?yàn)樯L(zhǎng)材料的晶格常數(shù)不同，所以沿著生長(zhǎng)方向，在器件的生長(zhǎng)界面會(huì)存在很強(qiáng)的極化失配現(xiàn)象，借此形成的極化電場(chǎng)會(huì)拉低電子阻擋層與最后1個(gè)量子壘的勢(shì)壘高度差，從而造成電子泄漏現(xiàn)象的發(fā)生。目前提出的可以提高p-EBL勢(shì)壘高度的辦法包括采用極化匹配的AlInGaN基EBL[8]，極化自屏蔽的p-EBL[12]及極化反轉(zhuǎn)的p-EBL[13]，通過(guò)以上列舉的方法可以有效地削弱極化效應(yīng)，減小極化電場(chǎng)，從而緩解p-EBL的能帶傾斜程度，增大其對(duì)電子的阻礙作用。當(dāng)然引起電子泄漏的原因不止一個(gè)，空穴的注入率低也是造成該現(xiàn)象發(fā)生的原因之一[5]。所以droop現(xiàn)象的抑制同時(shí)可以通過(guò)提高空穴的注入率來(lái)實(shí)現(xiàn)[14]。下面來(lái)詳細(xì)說(shuō)明一下如何提高注入有源區(qū)空穴數(shù)目的方法。首先，空穴注入率低是來(lái)源于p-GaN層與p-EBL層之間較大的勢(shì)壘高度差對(duì)空穴的阻礙造成的[15]。除此之外，p-GaN層的空穴濃度較低，且空穴本身具有較小的遷移率的屬性也是造成空穴注入率低的重要因素[14，16]， 因此可以采用V型坑的技術(shù)手段，形成導(dǎo)電通道，促進(jìn)空穴的注入效率[17-18]，該技術(shù)手段可有效抵消因p-GaN層空穴濃度和遷移率較低而造成空穴注入能力下降的不利影響。在本工作中，還發(fā)現(xiàn)了另一項(xiàng)導(dǎo)致空穴注入率低的原因，那就是由于p-GaN的缺陷對(duì)于空穴注入的捕獲作用。具體原因?yàn)椋喝毕輹?huì)捕獲空穴，被捕獲的空穴隨即在捕獲中心發(fā)生了SRH相關(guān)的非輻射復(fù)合，最終導(dǎo)致空穴被注入有源區(qū)之前就被大量消耗了。同時(shí)，還在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在多量子阱區(qū)域的缺陷會(huì)產(chǎn)生分流電阻從而給漏電流提供了路徑，此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)也與相關(guān)實(shí)驗(yàn)報(bào)告保持高度一致[19]。為了形象直觀地說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，在接下來(lái)的研究工作中將通過(guò)具體的數(shù)值計(jì)算結(jié)果來(lái)展示與缺陷有關(guān)的載流子輸運(yùn)和注入過(guò)程中的物理現(xiàn)象及背后的物理原因。

1 器件外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)參數(shù)

首先，本工作通過(guò)APSYS軟件進(jìn)行物理模型的建立，具體的InGaN/GaN藍(lán)光發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。APSYS是一款應(yīng)用廣泛的半導(dǎo)體器件專(zhuān)業(yè)計(jì)算軟件，包含諸多先進(jìn)的物理模型，且能夠解決此次研究?jī)?nèi)容中需要求解的載流子輻射復(fù)合方程、SRH復(fù)合和俄歇復(fù)合等方程。下面具體闡釋說(shuō)明本文所設(shè)計(jì)的LED器件結(jié)構(gòu)。沿[0001]方向，該器件首先為4 μm厚的n型GaN層，其Si雜質(zhì)的摻雜濃度為5×1018 cm-3。接下來(lái)是有源區(qū)，有源區(qū)由6對(duì)In0.15Ga0.85N/GaN 層堆疊構(gòu)成，其中，In0.15Ga0.85N量子阱層的厚度為3 nm，GaN量子壘層的厚度為22 nm。電子和空穴在有源區(qū)中發(fā)生有效的輻射復(fù)合（Radiative Recombination），產(chǎn)生光子，從而產(chǎn)生有效的光功率。為了將載流子更有效地限在到有源區(qū)內(nèi)，設(shè)置了一層p-Al0.15Ga0.85N 電子阻擋層來(lái)抑制電子的泄漏，其Mg雜質(zhì)的摻雜濃度為8×1017 cm-3。最后，設(shè)置了120 nm厚的p-GaN層作為空穴供給層，其有效空穴濃度為8×1017 cm-3。為了形成p型歐姆接觸，同時(shí)添加了重?fù)诫s的p型GaN層，該層結(jié)構(gòu)相應(yīng)的空穴濃度為1×1021 cm-3。

此外，考慮到由于位錯(cuò)造成的晶格弛豫，本文設(shè)置了40%的極化率。先前已經(jīng)提到過(guò)俄歇復(fù)合也是造成效率衰退的原因之一，因此設(shè)定俄歇復(fù)合系數(shù)為1×10-30 cm6/s[20]。在此項(xiàng)工作中，光提取效率（Light Extraction Efficiency， LEE）的取值為78%[21]。特別需要注意的是，由于無(wú)法確定缺陷在器件中具體的分布情況，本項(xiàng)研究工作假設(shè)缺陷在器件中是均勻分布于每一層的。本文將缺陷濃度分別設(shè)置為1×1010 m-3， 1×1014 m-3， 5×1014 m-3 和 1×1015 m-3，相關(guān)器件分別記作器件A、器件B、器件C和器件D。最后，本文將施主型雜質(zhì)能級(jí)設(shè)置為導(dǎo)帶底以下0.24 eV的位置[22]，受主型雜質(zhì)能級(jí)設(shè)置為價(jià)帶頂之上0.5 eV的位置[23]。相應(yīng)的施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)的捕獲截面面積分別設(shè)置為3.4 × 10-13 m2和 2.1 × 10-11 m2。

2 結(jié)果與分析

首先，通過(guò)軟件的仿真計(jì)算，分別在圖2a）～圖2c）中展示了器件A、器件B、器件C和器件D的在100 A/cm2電流密度下的電致發(fā)光強(qiáng)度光譜圖 （EL）、內(nèi)量子效率（IQE）和光功率（Light Output Power）相對(duì)于注入電流密度的關(guān)系圖。通過(guò)圖2a）也可以觀察到4個(gè)器件的發(fā)光波長(zhǎng)均大約為430 nm，另外從EL光譜圖中還可以發(fā)現(xiàn)器件的發(fā)光強(qiáng)度隨著缺陷濃度的增大而減小，換句話來(lái)說(shuō)就是具有最大缺陷濃度的器件D擁有最小的發(fā)光強(qiáng)度。在圖2b）和圖2c）中，可以非常直觀地看到，隨著器件中缺陷濃度的增大，內(nèi)量子效率和光功率都呈現(xiàn)出一個(gè)逐漸減小的趨勢(shì)，這個(gè)結(jié)果與Schubert等[24]以及Piprek等[25]的報(bào)告保持高度一致。另外，通過(guò)計(jì)算得出在電流濃度為100 A/cm2時(shí)，器件A、器件B、器件C和器件D的功率衰減，即Efficiency Droop效應(yīng)。這里，將功率衰減定義為IQE的最大值減去電流密度為100 A/cm2時(shí)器件的IQE，并取該差值與最大的IQE值的商，即為所求的效率衰減;可以用相應(yīng)的公式來(lái)進(jìn)行表達(dá)：droop =? （IQEmax - IQE[100A/cm2]） / IQEmax。具體的器件A、器件B、器件C和器件D的droop水平分別為51.0%，35.2%，8.9%和 3.0%。這個(gè)現(xiàn)象非常有趣，缺陷濃度最小時(shí)，器件的效率衰減水平反而最大。這里，將效率的衰退歸因于俄歇復(fù)合。同時(shí)，我們也相應(yīng)地將4組器件的俄歇復(fù)合率展示到了圖3a）中。從圖3a）中，可以很直觀地看到隨著器件中缺陷濃度的增大，俄歇復(fù)合率變小。此外，本文也同時(shí)給出了不同器件的SRH復(fù)合率，在圖3b）中，可以觀察到器件D具有最大的SRH復(fù)合率。在此次的模型中，與SRH相關(guān)的載流子的非輻射復(fù)合壽命是不會(huì)隨著注入電流水平的高低而發(fā)生變化的，所以SRH復(fù)合只會(huì)影響器件的外量子效率而不會(huì)對(duì)器件的效率衰減現(xiàn)象造成影響。回歸于研究器件內(nèi)量子效率的ABC模型，通過(guò)計(jì)算化簡(jiǎn)，可以得到IQE取得最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的電流密度，記作Jdroop，它與[AC]成正比，其中A為SRH復(fù)合的復(fù)合率，C為俄歇復(fù)合的復(fù)合率。這就解釋了為什么在圖2a）中，器件D具有的Jdroop最大。通過(guò)準(zhǔn)確地計(jì)算，器件A、器件B、器件C和器件D對(duì)應(yīng)的Jdroop分別為 0.001 0，0.001 3，22.118 4，54.285 7 A/cm2。

以上，僅僅是分析了缺陷濃度對(duì)于載流子復(fù)合的影響，下面將分析缺陷濃度對(duì)于器件性能影響的另一個(gè)表現(xiàn)，那就是缺陷對(duì)于載流子注入的影響。位于多量子阱區(qū)域內(nèi)的電子和空穴濃度圖分別在圖4a）和圖4b）中給出。這里需要指出的是，為了確保可以更直觀地進(jìn)行一個(gè)不同缺陷濃度下的電子濃度的比較，本項(xiàng)工作將4個(gè)器件的電子濃度圖做了一個(gè)位置上的平移。從圖4a）中，可以觀察到有源區(qū)的電子濃度受缺陷濃度的影響較小，但是由圖4b）中空穴的濃度圖可以發(fā)現(xiàn)，有源區(qū)的空穴濃度隨著缺陷濃度的增大而劇烈減小。由于本項(xiàng)研究工作采用的是相同的器件結(jié)構(gòu)，所以載流子注入情況的不同僅僅是由于器件中缺陷濃度不同所致。器件當(dāng)中的缺陷會(huì)捕獲載流子，這些載流子隨即發(fā)生SRH復(fù)合被消耗，致使輸運(yùn)到相鄰層的載流子數(shù)量變小。對(duì)于電子來(lái)說(shuō)，器件中的缺陷的濃度越大，其被捕獲的數(shù)目越多，使得最終漏到p-GaN層的電子就越少，對(duì)應(yīng)著圖4a）插圖中的藍(lán)色曲線。再綜合比較圖4a）和圖4b），進(jìn)一步可以發(fā)現(xiàn)，空穴的注入對(duì)于缺陷濃度更為敏感。這是由于空穴具有較大的有效質(zhì)量，根據(jù) [μ=qτm*]，其中q為載流子的帶電量，τ為載流子的壽命，[m*]為載流子的有效質(zhì)量，μ為載流子的遷移率。最終可以發(fā)現(xiàn)空穴的遷移率相對(duì)電子較低。再根據(jù)[v=μE]，式中：v為載流子的運(yùn)動(dòng)速度，E為載流子所在位置的電場(chǎng)?？梢园l(fā)現(xiàn)，載流子的運(yùn)動(dòng)速度與遷移率成正比，因而具有較大有效質(zhì)量的空穴的運(yùn)動(dòng)速度更小，此即為多量子阱區(qū)域空穴的濃度相較電子而言更易被捕獲的原因。因此，在平時(shí)的制造工藝中，一定要注重提升器件的晶體質(zhì)量，這樣不僅可以抑制SRH復(fù)合的發(fā)生，同時(shí)還可以進(jìn)一步提高載流子的注入能力。所以依托于以上分析，如果想要提高器件中空穴的濃度，可以采取對(duì)空穴進(jìn)行加速，采用空穴加速器的結(jié)構(gòu)，從而使空穴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中被缺陷捕獲的概率降低。另外，還可以改進(jìn)外延生長(zhǎng)工藝，改善各個(gè)外延層的晶體質(zhì)量，減少雜質(zhì)缺陷密度，降低捕獲中心數(shù)量。

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