王永嘉，楊 旭，2，李金釵，2*，黃 凱，2*，康俊勇

（1. 廈門(mén)大學(xué)物理學(xué)系，微納光電子材料與器件教育部工程研究中心，福建省半導(dǎo)體材料及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，半導(dǎo)體光電材料及其高效轉(zhuǎn)換器件協(xié)同創(chuàng)新中心，福建廈門(mén) 361005；2.廈門(mén)市未來(lái)顯示技術(shù)研究院 嘉庚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén) 361005）

1 引 言

Ⅲ族氮化物具有禁帶寬度大、電子漂移飽和速度高、介電常數(shù)小、導(dǎo)熱性能好、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，特別是三元合金InGaN，通過(guò)調(diào)節(jié)合金中In 的組分，可實(shí)現(xiàn)禁帶寬度從0.7～3.4 eV連續(xù)可調(diào)，對(duì)應(yīng)的吸收光譜從紫外波段（365 nm）可以一直延伸到近紅外波段（1 770 nm），覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光范圍，成為新一代固態(tài)照明的優(yōu)選材料[1-3]。目前，商用白光發(fā)光二極管（LED）普遍以藍(lán)光LED 激發(fā)黃色熒光粉的技術(shù)方案為主，其制作工藝成熟且成本較低，但其光譜中缺失藍(lán)綠光和深紅光光譜，與自然白光光譜差異較大，導(dǎo)致顯色指數(shù)不高，難以滿足高品質(zhì)照明的需求[4-5]。同時(shí)，降低了白光LED 的壽命和穩(wěn)定性。因此，在追求高效率的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)具有高顯色性的無(wú)熒光粉全光譜白光LED 成為了國(guó)際半導(dǎo)體照明發(fā)展的新趨勢(shì)[6-7]。在c面上堆疊多波長(zhǎng)量子阱或量子阱堆疊量子點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)單芯片白光發(fā)射的直接途徑[8]，該方法存在開(kāi)啟電壓增大、載流子注入不均勻以及長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)光峰比例隨電流增大而飽和等現(xiàn)象。core-shell 型納米柱結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)單芯片白光的另一方法[9-10]，該方法主要利用In 原子并入效率、InGaN 生長(zhǎng)速率隨納米柱的尺寸、間距、高度等發(fā)生變化這一特點(diǎn)，從而獲得不同組分、不同厚度的InGaN/GaN 量子阱有源區(qū)，但其外延生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)復(fù)雜且不同波段發(fā)光光譜比例難以調(diào)制。近年來(lái)，研究者們嘗試采用選區(qū)外延（SAE）技術(shù)或刻蝕技術(shù)生長(zhǎng)出金字塔形、條紋形、棱臺(tái)形等具有多種晶面的GaN 微納結(jié)構(gòu)，為單芯片無(wú)熒光粉白光LED 提供了制備新途徑[11]。例如，中科院半導(dǎo)體所研究團(tuán)隊(duì)采用納米小球掩膜光刻法結(jié)合二次側(cè)向外延（ELO）生長(zhǎng)，獲得有序六角棱臺(tái)形納米島陣列，并結(jié)合量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了顯色指數(shù)從71.2～87.2 可調(diào)的單芯片白光LED[12]；日本京都大學(xué)研究組采用條紋掩膜圖案實(shí)現(xiàn)了{(lán)0001}極性面（c）和{1122}半極性面生長(zhǎng)，制備出由460～480 nm 藍(lán)光發(fā)光峰和570 nm 的黃綠發(fā)光峰混合而成的白光LED[13]；南京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)采用交叉條紋掩膜圖案，制備出具有{1122}、{2133}以及{1101}三種半極性面的微米陣列結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)了涵蓋400～650 nm 的寬光譜發(fā)射[14]。上述方法主要利用Ⅲ族氮化物材料在不同極性面上的生長(zhǎng)速率和極化強(qiáng)度等差異，使得所生長(zhǎng)的量子阱厚度和極化場(chǎng)強(qiáng)各不相同，從而獲得雙波長(zhǎng)或者多波長(zhǎng)的發(fā)射光譜。該技術(shù)方案的關(guān)鍵所在為如何有效調(diào)控各極性面的發(fā)光波長(zhǎng)和發(fā)光面積，以實(shí)現(xiàn)全光譜白光。理論上，所生長(zhǎng)的極性面種類(lèi)越多，其混合發(fā)光的光譜波長(zhǎng)涵蓋范圍越寬。然而，其外延生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)將變得復(fù)雜使得不同發(fā)光波段的光譜比例難以調(diào)制。為此，本文選取目前生長(zhǎng)技術(shù)最為成熟的c面和采用SAE 技術(shù)最容易實(shí)現(xiàn)的{1011}和{1122}半極性面為研究對(duì)象，通過(guò)模擬仿真，首先設(shè)計(jì)并優(yōu)化具有雙波長(zhǎng)堆疊的c面InGaN/GaN 多量子阱（MQWs）有源層結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)InGaN 阱層厚度和GaN 壘厚層厚度，實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)發(fā)光；進(jìn)而考察在相同外延條件下生長(zhǎng)的半極性面InGaN/GaN 堆疊量子阱LED 的發(fā)光特性。在此基礎(chǔ)上，提出基于多波長(zhǎng)堆疊InGaN/GaN 多量子阱結(jié)構(gòu)的c面及{1011}和{1122}半極性面混合的單芯片白光LED設(shè)計(jì)方案。

2 c 面InGaN/GaN 堆疊量子阱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

一般而言，將不同In 組分InGaN 量子阱堆疊起來(lái)即可實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)發(fā)光。然而，由于c面Ⅲ族氮化物具有強(qiáng)極化效應(yīng)且氮化物L(fēng)ED 中電子和空穴非對(duì)稱(chēng)注入，往往使得LED 中有源層多量子阱結(jié)構(gòu)中載流子分布不均勻[15-16]。因此，要通過(guò)堆疊量子阱實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)發(fā)光，其關(guān)鍵問(wèn)題為如何使電子和空穴在有源層多量子阱結(jié)構(gòu)中均勻分布。本文首先采用Crosslight Software Inc. 設(shè)計(jì)的APSYS（Advanced physical models of semiconductor devices）軟件對(duì)雙波長(zhǎng)堆疊的InGaN/GaN MQWs LED 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

所構(gòu)建的雙波長(zhǎng)堆疊InGaN/GaN MQWs LED模型如圖1 所示。自下而上分別為：100 μm 厚的c面藍(lán)寶石襯底，摻雜濃度為5×1018cm-3的3 μm厚n 型GaN，5 個(gè)周期的InGaN/GaN MQWs，18 nm厚p 型Al0.75Ga0.25N 電子阻擋層（EBL），摻雜濃度為1.2×1018cm-3的15 nm 厚p 型GaN。5 個(gè)周期的In-GaN/GaN MQWs 自下而上分別為2 個(gè)In0.2Ga0.8N藍(lán)光量子阱和3 個(gè)In0.3Ga0.7N 綠光量子阱，如圖1右側(cè)所示。器件寬度為200 μm，相關(guān)參數(shù)設(shè)置符合商業(yè)化GaN 基LED 典型數(shù)值。在模擬計(jì)算中，溫度設(shè)為300 K。俄歇復(fù)合系數(shù)設(shè)為1×1034cm6/s，Shockley-Read-Hall（SRH）復(fù) 合 壽 命 設(shè) 為100 ns，以上數(shù)據(jù)均來(lái)源于相關(guān)文獻(xiàn)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[17-18]。此外，仿真中包含自發(fā)極化電荷模型和壓電極化電荷模型，采用Fiorentini 等提出的方法計(jì)算了In-GaN/GaN 和AlGaN/GaN 界面極化電場(chǎng)引起的總內(nèi)置電荷密度，不同晶面的極化電荷密度和有效質(zhì)量由完整的6×6 k.p 模型重新設(shè)置[19]。

圖1 雙波長(zhǎng)堆疊InGaN/GaN MQWs LED 模型結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of dual-wavelength stacked InGaN/GaN MQWs LED

首先考察量子阱厚度對(duì)載流子分布的影響。圖2（a）～（c）為固定壘層厚度為10 nm，量子阱厚度分別在1，2，3 nm 時(shí)的載流子分布圖。其中，藍(lán)色實(shí)線為電子濃度，紅色實(shí)線為空穴濃度，左側(cè)為靠近n 型側(cè)，右側(cè)為靠近p 型側(cè)，將靠近n 型側(cè)的量子阱命名為第一個(gè)量子阱（1st QW），依此排序，靠近p 型側(cè)的量子阱命名為第五個(gè)量子阱（5th QW）。由圖可見(jiàn)，在三種結(jié)構(gòu)中，由于電子遷移率較大，電子濃度分布總體較為均勻；而空穴濃度分布則存在顯著的差異，靠近p 型側(cè)的綠光量子阱區(qū)中空穴濃度比靠近n 型側(cè)的藍(lán)光量子阱高了近2 個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)量子阱厚度增加時(shí)，空穴濃度分布發(fā)生較大的變化，空穴濃度值整體隨量子阱厚度增加而逐漸升高，并且，越靠近n 型側(cè)的藍(lán)光量子阱中的空穴濃度上升得越快。如圖所示，當(dāng)量子阱厚度從1 nm 增加至3 nm 時(shí)，1st QW 中空穴濃度增加了近3 個(gè)數(shù)量級(jí)，而5th QW 中僅增加1 個(gè)數(shù)量級(jí)。圖2（d）～（f）為100 A/cm2注入下不同量子阱厚度LED 的輻射復(fù)合率分布圖，從圖中可以看出，1st QW 和2nd QW 中的輻射復(fù)合率隨阱厚增大而逐漸上升，結(jié)合載流子分布圖，量子阱厚度增加時(shí)，這2 個(gè)量子阱中空穴濃度逐漸上升，與電子濃度逐漸匹配，進(jìn)而導(dǎo)致輻射復(fù)合率增加。這些結(jié)果表明，量子阱厚度增大，有利于空穴向n型層方向注入，從而使得載流子在有源區(qū)中分布得更為均勻，有望實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)發(fā)光。

圖2 具有不同阱層厚度的雙波長(zhǎng)堆疊InGaN/GaN MQWs LED 載流子分布圖（（a）～（c））和輻射復(fù)合率分布圖（（d）～（f））Fig.2 Carrier distribution（（a）-（c））and radiative recombination rate（（d）-（f））of dual-wavelength stacked InGaN/GaN MQWs LED with different QW layer thicknesses

圖3 為100 A/cm2電流密度注入下c面不同In-GaN 量子阱厚度LED 電致發(fā)光譜（EL）圖。由圖3可見(jiàn)，與前文預(yù)期一致，當(dāng)量子阱厚度為1 nm 時(shí)，只呈現(xiàn)中心波長(zhǎng)位于429 nm 的發(fā)光峰；隨著量子阱厚度增大，載流子分布趨于均勻，發(fā)光光譜呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，分別為來(lái)自于藍(lán)光量子阱的短波長(zhǎng)次發(fā)光峰和來(lái)自于綠光量子阱的長(zhǎng)波長(zhǎng)主發(fā)光峰。值得一提的是，來(lái)自于綠光量子阱的主發(fā)光峰隨著阱厚由1 nm 增大至3 nm 時(shí)，其中心波長(zhǎng)由429 nm 顯著紅移至540 nm，紅移量達(dá)111 nm 之多；而來(lái)自于藍(lán)光量子阱的次發(fā)光峰隨著阱厚由2 nm增大至3 nm 時(shí)，其中心波長(zhǎng)紅移量相對(duì)較小，約為22 nm。研究表明，在極化場(chǎng)作用下的基態(tài)量子能級(jí)躍遷能量與極化場(chǎng)強(qiáng)度、量子阱厚度等參數(shù)密切相關(guān)，如下式所示[20]：

圖3 具有不同阱層厚度的雙波長(zhǎng)堆疊InGaN/GaN MQWs LED 電致發(fā)光光譜Fig.3 Electroluminescence spectra of dual-wavelength stacked InGaN/GaN MQWs LED with different QW layer thicknesses

其中Eg為InGaN 的禁帶寬度，F(xiàn)w和Lw分別為阱區(qū)的極化場(chǎng)和厚度，m*為電子或者空穴的有效質(zhì)量。通過(guò)計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度分布可知，上述綠光和藍(lán)光量子阱中的平均極化場(chǎng)強(qiáng)分別約為2.3 MV/cm 和1.4 MV/cm。結(jié)合公式（1）計(jì)算可得，當(dāng)綠光和藍(lán)光量子阱厚度分別增加1 nm 時(shí)，其基態(tài)量子能級(jí)躍遷能量將分別減小0.23 eV 和0.14 eV，與上述波長(zhǎng)紅移量一致。由此說(shuō)明，波長(zhǎng)隨阱厚變化可歸因于極化場(chǎng)作用下的量子限制效應(yīng)。

上述分析結(jié)果表明，當(dāng)量子阱厚度增加至3 nm時(shí)，次峰積分強(qiáng)度與主峰積分強(qiáng)度之比可提高至18.2%，但依然無(wú)法滿足單芯片白光LED 的要求。因此，我們進(jìn)一步固定InGaN量子阱厚度為3 nm，考察壘層厚度對(duì)載流子分布乃至發(fā)光性質(zhì)的影響。圖4（a）～（d）為不同GaN壘層厚度LED在100 A/cm2注入下的載流子分布圖。同樣地，隨著壘層厚度增加，電子濃度分布變化不大；但1st QW 和2nd QW 中的空穴濃度逐漸增大，而4th QW 和5th QW 中的空穴濃度隨著壘厚增加而逐漸減小，也就是說(shuō)整個(gè)有源區(qū)內(nèi)的空穴濃度分布趨于均勻化。此外，不論是藍(lán)光量子阱還是綠光量子阱區(qū)，其電子濃度和空穴濃度空間分離現(xiàn)象均隨壘厚增大而略微增強(qiáng)，這一現(xiàn)象可歸因于壘層增厚導(dǎo)致量子阱層中的極化電場(chǎng)增強(qiáng)，如圖4（e）～（h）所示。而值得一提的是，隨著壘層厚度增大，量子壘層中的極化電場(chǎng)反而逐漸減小，與文獻(xiàn)報(bào)道一致[21]。由圖4（e）～（h）可見(jiàn)，當(dāng)壘層厚度由9 nm 增加至12 nm 時(shí)，綠光量子壘層中的極化電場(chǎng)強(qiáng)度降低了0.32～0.34 MV/cm，高于藍(lán)光量子壘層中的極化電場(chǎng)強(qiáng)度的變化量（0.14～0.17 MV/cm）。研究表明，載流子輸運(yùn)不僅與載流子的遷移率有關(guān)，還與能帶結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[22]。壘層中的極化電場(chǎng)強(qiáng)度降低意味著載流子從一個(gè)阱層傳輸至下一個(gè)阱層所需跨越的有效勢(shì)壘將降低。為此，我們考察了相應(yīng)的價(jià)帶能帶結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示，圖中實(shí)線為價(jià)帶帶邊（Valence band），虛線為準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)（Quasi-fermi level），價(jià)帶帶邊與準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)的能量間距即為上文所述的有效勢(shì)壘，圖中由ΔEv表示。由圖5 可見(jiàn)，壘層中極化場(chǎng)強(qiáng)降低使其價(jià)帶帶邊彎曲程度顯著減小，從而導(dǎo)致ΔEv顯著減小。例如，當(dāng)壘厚由9 nm 增加至12 nm 時(shí)，空穴跨越第五個(gè)量子壘所需克服的勢(shì)壘ΔEv5由0.77 eV 大幅降低至0.53 eV。最終使得空穴更容易往靠近n型側(cè)的量子阱傳輸。隨著空穴濃度的增加，1st QW 和2nd QW 中 輻 射 復(fù) 合 率增 大；而4th QW 和5th QW 中輻射復(fù)合率則在空穴濃度降低和極化場(chǎng)強(qiáng)增大的雙重作用下急劇減小，如圖4（i）～（l）所示。

圖4 具有不同壘層厚度的雙波長(zhǎng)堆疊InGaN/GaN MQWs LED 載流子分布圖（（a）～（d））、電場(chǎng)分布圖（（e）～（h））以及輻射復(fù)合率分布圖（（i）～（l））。Fig.4 Carrier distribution（（a）-（d）），electric field distribution（（e）-（h））and radiative recombination rate（（i）-（l））of dualwavelength stacked InGaN/GaN MQWs LED with different QB layer thicknesses.

圖5 具有不同壘層厚度的雙波長(zhǎng)堆疊InGaN/GaN MQWs LED 價(jià)帶結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Valence band diagram of dual-wavelength stacked InGaN/GaN MQWs LED with different QB layer thicknesses

進(jìn)一步計(jì)算其電致發(fā)光譜發(fā)現(xiàn)，隨著壘厚增大，來(lái)自于藍(lán)光量子阱的短波長(zhǎng)次發(fā)光峰強(qiáng)度逐漸增大，而來(lái)自于綠光量子阱的長(zhǎng)波長(zhǎng)主發(fā)光峰強(qiáng)度則逐漸減小，如圖6 所示。當(dāng)壘層厚度由9 nm 增加至11 nm 時(shí)，二者的積分強(qiáng)度比由8.3%逐漸增加至37.9%；而在壘層厚度為12 nm 時(shí)，短波長(zhǎng)發(fā)光峰強(qiáng)度超過(guò)長(zhǎng)波長(zhǎng)的，積分強(qiáng)度比為121.6%。如前文所述，這一顯著變化主要由4th QW 和5th QW 中空穴濃度降低和極化場(chǎng)強(qiáng)增大的雙重作用所引起。特別是壘厚為12 nm 的結(jié)構(gòu)，空穴濃度最高的3th QW 阱層中，其極化場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)于壘厚為9 nm 結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了約0.27 MV/cm，而壘厚為11 nm 結(jié)構(gòu)中變化量?jī)H約為0.08 MV/cm。此外，由于量子阱層中極化場(chǎng)強(qiáng)度隨壘厚增加而增大，使得短波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)光峰均發(fā)生了紅移，其波長(zhǎng)分別由445 nm 紅移至456 nm，由529 nm 紅移至546 nm。

圖6 具有不同壘層厚度的雙波長(zhǎng)堆疊InGaN/GaN MQWs LED 電致發(fā)光光譜Fig.6 Electroluminescence spectra ofdual-wavelength stacked InGaN/GaN MQWs LED with different QB layer thicknesses

綜上所述，通過(guò)調(diào)節(jié)雙波長(zhǎng)堆疊的InGaN 多量子阱的阱層和壘層厚度，可調(diào)控載流子特別是空穴在量子阱有源區(qū)的分布，實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)發(fā)光峰比例調(diào)制。其中，當(dāng)阱厚為3 nm、壘厚為11 nm時(shí)，各個(gè)量子阱的輻射復(fù)合率較為接近，短波長(zhǎng)次峰與長(zhǎng)波長(zhǎng)主峰積分強(qiáng)度比為37.9%。因此，下文中我們將以該結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行單芯片白光LED的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3 基于多波長(zhǎng)堆疊InGaN/GaN 多量子阱結(jié)構(gòu)的單芯片白光LED 設(shè)計(jì)

不同極性面的表面懸掛鍵密度差異導(dǎo)致其生長(zhǎng)速率不同，表1 總結(jié)了不同半極性面與c面之間的夾角、生長(zhǎng)速率以及極化電場(chǎng)強(qiáng)度[23]。從表1中可以看出，在相同外延條件下，在半極性或非極性面上外延的量子阱，其阱和壘厚度都將比c面上外延的薄，極化電場(chǎng)也較小。根據(jù)前文分析，更薄的阱壘結(jié)構(gòu)和較低的極化電場(chǎng)都將使得發(fā)光波長(zhǎng)藍(lán)移。因此，需將c面量子阱In 組分調(diào)高至紅、綠光波段，以便將其與半極性或非極性面的短波長(zhǎng)發(fā)光混合實(shí)現(xiàn)白光發(fā)射。在下文的模擬設(shè)計(jì)中，c面多量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)置為由2 個(gè)In0.3Ga0.7N/GaN 綠光量子阱和3 個(gè)In0.4Ga0.6N/GaN 紅光量子阱堆疊而成，其中阱層厚度均為3 nm，壘層厚度均為11 nm。進(jìn)而根據(jù)表1 中各晶面的生長(zhǎng)速率設(shè)置各晶面量子結(jié)構(gòu)的阱壘厚度，以考察在相同生長(zhǎng)條件下各晶面量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光特性。

表1 不同晶面與c 面夾角、生長(zhǎng)速率、極化電場(chǎng)關(guān)系以及相同外延生長(zhǎng)條件下的阱和壘厚度Tab.1 Angles，growth rate，polarization electric field，QW and QB thicknesses under the same epitaxial growth conditions of different semipolar planes and c-plane

圖7（a）為相同外延條件下，不同晶面上的In-GaN/GaN 多量子阱結(jié)構(gòu)LED 的光致發(fā)光光譜。從圖中可見(jiàn)，c面呈現(xiàn)雙波長(zhǎng)發(fā)光，其中心波長(zhǎng)分別位于534 nm 和671 nm；由載流子分布和輻射復(fù)合率分布（圖7（b）～（c））可知，二者分別來(lái)源于In0.3Ga0.7N/GaN 量子阱和In0.4Ga0.6N/GaN 量子阱。而由于半極性面量子阱的阱壘厚度變薄，其空穴主要分布于In0.4Ga0.6N/GaN 量子阱中（圖7（d）～（e）），使得半極性面LED 都基本只有一個(gè)發(fā)光峰。此外，如前文分析，在薄量子阱和低極化場(chǎng)作用下，發(fā)光波長(zhǎng)發(fā)生藍(lán)移。由圖7（a）可見(jiàn)，在相同外延生長(zhǎng)條件下，{1011}面上生長(zhǎng)的量子阱發(fā)光波長(zhǎng)最短，其中心波長(zhǎng)位于445 nm 左右。

圖7 （a）相同注入下各晶面發(fā)光光譜；（b）～（c）c 面LED 載流子及電場(chǎng)分布；（d）～（e）半極性面LED 載流子及電場(chǎng)分布。Fig.7 （a）Electroluminescence spectra of LED on different facets under the same injection.（b）-（c）Carrier and electric field distribution of LED on c-plane.（d）-（e）Carrier and electric field distribution of LED on semipolar plane.

上述結(jié)果表明，在相同條件下外延生長(zhǎng)具有不同晶面的多波長(zhǎng)堆疊InGaN 量子阱結(jié)構(gòu)，其發(fā)光光譜可覆蓋RGB 三色波段。若在外延生長(zhǎng)時(shí)，通過(guò)掩膜圖形調(diào)節(jié)所生長(zhǎng)晶面的面積比例，即可混合形成白光。為驗(yàn)證其可行性，我們選取目前生長(zhǎng)技術(shù)最為成熟的c面和采用SAE 技術(shù)最容易實(shí)現(xiàn)的{1011}和{1122}半極性面進(jìn)行組合。此外，由于圖7（a）所示光譜中依然缺少550 ～600 nm 黃光波段，我們進(jìn)一步優(yōu)化量子阱結(jié)構(gòu)，將多量子阱結(jié)構(gòu)設(shè) 置 為 由1 個(gè)In0.3Ga0.7N/GaN 量子阱、1 個(gè)In0.35Ga0.65N/GaN 量子阱以及3 個(gè)In0.4Ga0.6N/GaN 量子阱堆疊而成，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)不變。圖8（a）～（b）顯示了由{1011}和{1122}分別與c面按發(fā)光面積比為1∶1. 5 組合而成的EL 譜，光譜覆蓋了大部分可見(jiàn)光波段，其中藍(lán)光發(fā)光峰來(lái)自于半極性面量子阱，而位于530，600，680 nm 左右的發(fā)光峰則分別 來(lái) 自 于 組 分 為0. 3，0. 35，0. 4 的c面InGaN/GaN 量子阱。兩個(gè)光譜在CIE 1931 色度圖中的坐標(biāo)分別為（0. 32, 0. 33）和（0. 32, 0. 36），色溫均為6 000 K。研究表明，通過(guò)控制掩模圖形、窗口尺寸以及外延條件，可控制半極性面與c面的面積比[24-25]。例如，采用條紋形掩膜圖案，生長(zhǎng)出底面為40 μm、高度為8.66 μm 的條紋型微米陣列結(jié)構(gòu)，或采用圓孔型掩模圖案，生長(zhǎng)出底面為7.56 μm、高度為0.28 μm 的棱臺(tái)型微米陣列結(jié)構(gòu)，即可 獲得{0001}∶{1011}或者{1122}面積比為1.5∶1 的單芯片白光LED，如圖8（a）～（b）中插圖所示。圖8（c）顯示了面積比由1∶1 提高至3∶1時(shí)，所混合而成的白光光譜在CIE 1931 色度圖中的坐標(biāo)。從圖中可見(jiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)c面發(fā)光光譜在混合光譜中的比例，兩種方案均可獲得色溫從9 000～4 500 K 可調(diào)的白光。進(jìn)而比較其顯色指數(shù)（CRI）變化趨勢(shì)，如圖8（d）所示，當(dāng)面積比由1提高至3 時(shí)，二者的CRI 均先增大后減小，在面積比為1.5 左右時(shí)CRI 值最高。并且，值得一提的是，由{1122}與c面混合的白光光譜顯色指數(shù)均遠(yuǎn)高于{1011}與c面混合的白光光譜，CRI 值最高達(dá)91.3。上述結(jié)果表明，通過(guò)SAE 技術(shù)生長(zhǎng)出同時(shí)具有{1122}面和c面的微米陣列多波長(zhǎng)堆疊In-GaN/GaN MQWs 結(jié)構(gòu)，有望制備出顯色指數(shù)高于90 的單芯片無(wú)熒光粉白光LED。本文的模擬仿真主要以采用SAE 技術(shù)最容易實(shí)現(xiàn)的{1011}和{1122}半極性面為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在實(shí)際外延生長(zhǎng)中，所生長(zhǎng)的半極性面將會(huì)隨著外延條件和掩膜圖案的變化而改變，在確定可獲得的晶面類(lèi)型組合情況下，可進(jìn)一步通過(guò)上述模擬設(shè)計(jì)方法相應(yīng)地調(diào)整各晶面面積比，為實(shí)現(xiàn)高顯色指數(shù)單芯片白光LED 設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

圖8 ｛1011｝面（a）和｛1122｝面（b）分別與c 面按發(fā)光面積比為1∶1.5 的混合EL 譜；不同比例半極性面與c 面混合光譜的CIE 1931 色度圖（c）和顯色指數(shù)變化趨勢(shì)（d）。（a）和（b）插圖分別為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)條紋微米結(jié)構(gòu)橫截面圖與棱臺(tái)微米柱結(jié)構(gòu)俯視圖。Fig.8 Mixed EL spectra of｛1011｝plane（a），｛1122｝plane（b）and c plane with a ratio of 1∶1.5. CIE 1931 chromaticity diagram（c）and color rendering index（d）of different proportions of semipolar plane and c plane mixed illumination. The insets in（a）-（b）are the cross-sectional view of the experimental design of the fringe structure and the top view of the prismatic structure，respectively.

4 結(jié) 論

本文通過(guò)APSYS 模擬仿真，研究了不同阱、壘厚度對(duì)c面InGaN/GaN 雙波長(zhǎng)堆疊多量子阱LED 發(fā)光特性的影響。結(jié)果表明，量子阱和壘的厚度增大，有利于空穴向n 型層方向注入，從而使得載流子在有源區(qū)中分布得更為均勻。當(dāng)阱厚為3 nm、壘厚為11 nm 時(shí)，可實(shí)現(xiàn)短波長(zhǎng)次峰與長(zhǎng)波長(zhǎng)主峰積分強(qiáng)度比為37.9%的雙波長(zhǎng)發(fā)光。進(jìn)而考察在相同外延條件下生長(zhǎng)的半極性面In-GaN/GaN 堆疊量子阱LED 的發(fā)光特性，分析發(fā)現(xiàn)，在薄量子阱和低極化場(chǎng)作用下，空穴主要分布于靠近p 型側(cè)的量子阱中，使其僅呈現(xiàn)單個(gè)發(fā)光峰，且發(fā)光波長(zhǎng)發(fā)生藍(lán)移。其中，{1011}面上生長(zhǎng)的量子阱發(fā)光波長(zhǎng)最短，其中心波長(zhǎng)位于445 nm左右。在此基礎(chǔ)上，提出基于多波長(zhǎng)堆疊InGaN/GaN 多量 子 阱 結(jié) 構(gòu) 的c面和{1011}或{1122}半 極 性面混合的單芯片白光LED 設(shè)計(jì)方案，通過(guò)調(diào)節(jié)c面發(fā)光光譜在混合光譜中的比例，可獲得光譜覆蓋大部分可見(jiàn)光波段、色溫從4 500～9 000 K 可調(diào)、顯色指數(shù)最高達(dá)91.3 的白光，為實(shí)現(xiàn)高顯色指數(shù)的單芯片無(wú)熒光粉白光LED 提供了有效的設(shè)計(jì)方案。

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