时强1)2) 李路平1)2) 张勇辉1)2) 张紫辉1)2) 毕文刚1)2)

1)(河北工业大学电子信息工程学院,天津 300401)

2)(天津市电子材料与器件重点实验室,天津 300401)

1 引 言

近几年,发光二极管(LED)的研究和应用发展非常迅猛,它不仅在照明领域有巨大革新,渐渐取代白炽灯、节能灯[1−3],而且还可应用于LED电视背光、紫外杀菌等人们生活的许多方面[4,5].虽然LED的发展史已经有三十多年,但目前仍然存在随着输入电流的增大,器件的内量子效率(internal quantum efficiency,IQE)衰减(efficiency droop)的问题[6].引起IQE衰减的原因包括俄歇复合[7]、低空穴注入效率[8]、漏电子效应[9]等.为了缓解俄歇复合,可以利用量子阱内能带平坦化从而减少局域载流子浓度来改善LED的发光效率[10].对于低效的空穴注入,研究人员采取了许多不同的结构设计对其进行改善.例如在p-GaN层与金属电极之间插入一层1 nm厚的SiO2绝缘层,从而在LED器件内构成一个电荷反转器(charge inverter)[11];在p-GaN层中间插入一层p型的AlGaN薄层,形成电子阻挡层(electron blocking layer,EBL)/p-GaN/p-AlGaN异质结,构成空穴加速器结构(hole accelerator)[12].以上两种新结构皆可以有效地提高p-GaN区的空穴注入到量子阱中.与此同时,由于电子比空穴活跃,因此很容易逃离量子阱有源区,造成漏电子效应,对此研究者提出利用p型Al-GaN的EBL来阻挡电子的逃逸[13],但是沿[0001]晶向生长的GaN型量子垒与AlGaN型EBL之间存在晶格失配,导致严重的极化效应,引起量子垒与EBL界面处的电子积累效应,从而降低了EBL处的导带势垒高度,导致电子的逸出.所以随着LED的发展,此结构对于电子的限制作用已经不能满足人们对高效LED器件的需求,于是研究者采用N极性面的极化反转型EBL结构来改善电子逃逸[14].但是此方法若要应用到实际中,需要用到激光剥离、晶片键合技术来去除衬底等复杂的工艺,实验难度以及成本非常大.除了关注EBL,LED中量子垒的结构在影响电子注入效率方面也至关重要[15],其中一个减小电子逃逸概率的方法是采用GaN/InxGa1−xN型作为最后一个量子势垒[16−22].此方法具有结构简单、制作成本低、可操控性强等一系列的优势,因此本文回顾了GaN/InxGa1−xN型最后一个量子势垒结构的发展及其在改善电子注入效率方面的特点和作用,同时进一步研究了该结构中InxGa1−xN的厚度和In组分对LED器件电子注入效率及IQE的影响.

2 GaN/InxGa1−xN作为最后一个量子垒的研究概况

在2011年,Kuo等[16]首次提出利用GaN/InxGa1−xN结构来替换传统的GaN最后一个量子垒.他们将传统的12 nm厚的最后一个GaN垒替换成6 nm厚的GaN和6 nm厚的In0.01Ga0.99N,从而构成GaN/In0.01Ga0.99N型量子垒,并理论仿真比较了三组器件:最后一个量子垒为12 nm GaN的传统型LED器件(Original structure)、GaN/非掺杂In0.01Ga0.99N量子垒结构的LED器件(Structure A)和GaN/p-In0.01Ga0.99N量子垒结构的LED器件(Structure B).计算结果表明,Structure A和Structure B的IQE都明显高于Original structure.三种器件的效率衰减分别为53%,52%,47%,效率衰减问题也明显得到改善.同时他们发现在100 mA输入电流下Original structure,Structure A及Structure B中p-EBL的势垒高度分别为424,444,456 meV,由此得出Structure A和Structure B电子逃逸概率均小于Original structure,证实了GaN/In0.01Ga0.99N型量子垒的EBL对电子的限制能力优于传统器件,从而可以有效提高LED器件的IQE.与此同时,Kuo等[16]进一步对比Structure A和Structure B,发现p型掺杂的In0.01Ga0.99N层能为量子阱提供更多的空穴,所以GaN/p-In0.01Ga0.99N量子垒能进一步改善器件的性能.

随后许多研究者对GaN/InxGa1−xN型最后一个量子垒结构从不同的角度进行了实验论证[17,18].Lu等[17,18]对比研究了10 nm GaN作为最后一个量子垒结构的传统LED器件和利用10 nm GaN/10 nm p-In0.05Ga0.95N型作为最后一个量子垒结构的LED器件.通过实验测试发现在200 mA的输入电流下,最后一个量子垒中插入p-In0.05Ga0.95N层的器件光功率比传统的对比器件提高了39.7%.他们通过仿真计算发现,插入p-In0.05Ga0.95N层的器件的漏电子更小,且量子阱内空穴和电子浓度更高,所以IQE更高.随后他们进一步对p-InxGa1−xN插入层的In组分沿[0001]生长方向进行了由0到0.06的渐变,通过仿真计算得出具有渐变In组分的GaN/p-InxGa1−xN型最后一个量子垒LED器件的效率衰减仅为5.3%,而固定In组分的GaN/p-In0.03Ga0.97N量子垒LED器件和传统GaN量子垒LED器件则高达9.3%和21.7%.

Lin等[19]着重讨论了GaN/InxGa1−xN型最后一个量子垒结构中Mg掺杂的影响.他们对比了GaN LED(8 nm的GaN作为最后一个量子垒),InGaN LED(3 nm GaN/5 nm In0.07Ga0.93N作为最后一个量子垒)和p-InGaN LED(3 nm GaN/5 nm p-In0.07Ga0.93N作为最后一个量子垒)三个不同垒的LED器件.其三个器件的外量子效率EQE和光功率随电流的变化如图1所示.可以看到随着输入电流增大,InGaN LED和p-InGaN LED皆比GaN LED的输出功率大,且p-InGaN LED的输出功率在1 A注入电流下是GaN LED的1.35倍.EQE提升显著,其中p-InGaN LED的效率衰减仅为7%,且效率衰减的起始电流较高,但是在低驱动电流(小于200 mA)下,p-InGaN LED的EQE却最低.为了揭示这异常现象,他们利用次级离子质谱(SIMS)对GaN LED和p-InGaN LED中各个元素的空间分布进行表征分析(如图2所示),发现p-InGaN LED中Mg原子扩散至量子阱有源区中,从而导致量子阱区的晶格质量降低,同时在量子阱中产生非辐射复合中心[23],所以在注入电流比较低时,载流子的复合以Shockley-Read-Hall复合为主,故EQE降低,且效率衰减的起始电流高于GaN LED和InGaN LED[24].但随着输入电流的增大,器件的主要复合方式变为辐射复合,所以LED器件的EQE增加且衰减显著缓解.由此可以得出,尽管GaN/p-In0.07Ga0.93N结构能起到很好的效果,但是在实验中由于Mg掺杂的In0.07Ga0.93N层会造成Mg原子向量子阱扩散,因此需要更加精细的工艺控制.

图1 (网刊彩色)不同注入电流下GaN LED,InGaN LED和p-InGaN LED的EQE和光功率[19]Fig.1.(color online)EQE and output power of the GaN,InGaN,and p-InGaN LEDs plotted with respect to the forward current[19].

图2 (网刊彩色)SIMS表征GaN LED和p-InGaN LED中各个元素的分布情况[19]Fig.2.(color online)SIMS depth prof i les of the GaN and the p-InGaN LEDs[19].

此外,Liu等[20]则是将LED器件中传统的30 nm AlGaN型EBL(器件A)改变成15 nm p-InGaN和15 nm AlGaN组合的EBL(器件B).通过实验测量EQE,发现器件B在大电流注入下效率衰减问题得到了改善.Liu等[20]基于实验测量获得的EQE与电流关系的数据,根据Lin等[25]提出的ABCD量子效率模型公式,利用迭代计算得到ABCD公式中相应的系数值,发现其中的器件A的系数D(代表载流子漏率)比器件B的系数D要大30倍,于是推测出采用新型InGaN/AlGaN EBL结构的器件B性能优于器件A的原因是减小了漏电子,从而增加了注入到量子阱中的载流子导致的.仿真计算证实了器件B的新结构有助于提高EBL处的导带势垒高度,减小电子从量子阱有源区中的逃逸概率,改善LED器件的IQE.虽然其描述方式是旨在改良EBL结构,但事实上也是构成了GaN/InxGa1−xN型最后一个量子垒结构.

在2014年,Kyaw等[21]将插入的InxGa1−xN中的In组分进行了阶梯递增,他们认为阶梯递增In组分变化的InxGa1−xN层之间会产生更多的极化负电荷,从而产生更强的极化效应,将导致EBL处导带势垒升高.因此Kyaw等[21]在保证LED器件最后一层量子势垒总厚度一致的前提下,沿着[0001]晶体生长方向,将其中的InxGa1−xN层有序地分成3 nm In0.015Ga0.985N,3 nm In0.052Ga0.948N,3 nm In0.09Ga0.91N.实验测试表明,具备GaN/InxGa1−xN结构的最后一个量子垒LED器件电致发光强度大于传统GaN做最后一个量子垒的器件,且在150 mA输入电流下,In组分梯度变化的GaN/InxGa1−xN最后一个量子垒结构比传统器件的EQE提高了11.98%.仿真结果表明,GaN/InxGa1−xN型最后一个量子垒结构器件能有效地增加最后一个量子垒对电子的阻挡作用,同时提高了EBL处导带势垒高度,降低了电子逃逸概率,从而使得LED器件有更好的光电特性.

随后Zhang等[22]进一步阐明GaN/InxGa1−xN型量子垒使EBL处导带势垒增高的根本原因是极化反转.传统LED结构中GaN型最后一个量子垒和p-AlGaN型EBL界面处由于晶格失配,在GaN/p-EBL界面处引起极化效应产生正电荷,导致电子积聚(electron accumulation)在GaN/AlGaN界面,使得界面处的局域电子浓度增大,从而nLB/EBL(最后一个垒与EBL界面处积累局域电子的浓度)增大,则EBL处导带势垒将会降低[26].如果LED中的最后一个量子垒采用GaN/InxGa1−xN结构,考虑到生长方向是沿[0001],因此在GaN/InxGa1−xN界面产生了极化负电荷,GaN处势垒上弯,导致电子耗尽(electron depletion),减少了InxGa1−xN/AlGaN界面处的电子积累,从而升高了EBL导带势垒[26],降低了电子的逃逸概率,改善了IQE.同时Zhang等[22]进一步研究发现,由于GaN/InGaN界面处的极化电荷极大地影响了GaN部分的势垒高度,所以最后一个量子垒采用GaN/InxGa1−xN结构仅适用于[0001]晶向的LED结构,而对于[000¯1]晶向的LED结构,该GaN/InxGa1−xN量子垒反而增加了电子的逃逸概率,减小了LED的IQE.

3 器件仿真及结果分析

总结所有查到的文献报道可以得知,GaN/InxGa1−xN型最后一个量子垒之所以能改善LED的性能,主要是由于GaN/InxGa1−xN界面出现极化负电荷,导致EBL势垒升高,漏电子减少.但我们也发现研究者在设计GaN/InxGa1−xN型最后一个量子垒的基础结构器件时,都是使用固定的In组分以及InxGa1−xN插入层厚度来进行实验和仿真计算.GaN/InxGa1−xN型最后一个量子垒LED中InxGa1−xN插入层不同的In组分和厚度对IQE的变化规律尚不清楚.为此,本文利用APSYS软件,针对GaN/InxGa1−xN型结构中In组分和InxGa1−xN层的厚度对LED器件性能的影响进行了系统的研究,以优化设计该结构,实现LED的IQE提升的最大化.其中俄歇系数设置为1×10−42m6·s−1[27], 导带价带阶跃比(conduction band offset:valence band offset)设为70:30[28],其中极化率设为40%[27],即60%的极化电荷被产生的位错释放.设置Shockley-Read-Hall寿命为1×10−7s[29],关于III-V族半导体的其他相关参数可以从文献[30]得到.图3为本文所用的LED的基本结构图,沿[0001]方向分别是由4µm厚且掺杂浓度为5×1018cm−3的n-GaN和3 nm In0.15Ga0.85N/12 nm GaN构成的7对量子阱,20 nm p-Al0.2Ga0.8N构成EBL,以及0.2µm掺杂浓度为5×1020cm−3的p-GaN.在最后一个量子垒中设置了两个参数,x代表InxGa1−xN插入层中In的组分,Y代表InxGa1−xN插入层的厚度,并固定GaN/InxGa1−xN型最后一个量子垒的总厚度为20 nm.将In组分x参数分别设置为0,0.03,0.05,0.07.InxGa1−xN层厚度Y分别设置为1,5,10和15 nm.由于x为0时,最后一个垒即为GaN材料,因此其被定义为最后一个垒为20 nm时构成的参考LED器件,模拟器件尺寸均为350µm×350µm.

图3 (网刊彩色)模拟LED器件结构示意图,参数x代表GaN/InxGa1−xN型最后一个量子垒中In的组分,参数Y代表InxGa1−xN层厚度,GaN/InxGa1−xN型最后一个量子垒的总厚度为20 nmFig.3. (color online)Schematic diagram for the LED structure.The parameter x represents the InN composition for the inserted InxGa1−xN layer.The parameter Y represents the thickness for InxGa1−xN layer.The total thickness of the GaN/InxGa1−xN last quantum barrier is f i xed to 20 nm.

IQE随着In组分和InxGa1−xN厚度Y的变化的仿真结果如图4所示.从图4可以观察到在35 mA的电流注入下,GaN/InxGa1−xN型最后一个量子垒结构器件的IQE皆明显高于单纯GaN作为最后一个垒的LED器件,并且不论InxGa1−xN的In组分是多少,逐渐增大InxGa1−xN层的厚度对LED器件的IQE的影响并不明显,但是可以观察到厚度Y为5 nm时LED器件的IQE相对其他厚度要高.而在同一厚度Y下,随着In组分增大,LED器件的IQE则明显增大.为了分析IQE随着In组分和InxGa1−xN厚度Y的变化原因,器件漏电子随着In组分和插入层厚度Y的变化如图5所示.可以发现In组分越大,器件的漏电子越小.在同一In组分下,随着InxGa1−xN层厚度变化,发现在Y=5 nm时器件的漏电子相对不同厚度的器件也为最低.可以明显看到图5中漏电子和图4中IQE随着厚度Y和In组分变化的趋势正好相反,即漏电子越小,IQE越大.因此可以推测出IQE的变化主要是由于漏电子的变化所引起的,这也和前面所述的文章中报道的原因是一致的.

为了解释漏电子随着In组分增加而减小的变化原因,厚度Y为10 nm但In组分不同时LED器件能带图示于图6(a)中.从图6(a)可以观察到,InxGa1−xN的插入导致最后一个垒中的GaN的能带沿着[0001]生长方向上扬,这主要是由于在GaN/InxGa1−xN界面处会产生极化负电荷,在GaN中产生了一个正电场(沿[0001]生长方向的电场方向为正).另外发现GaN的势垒高度φe随着In组分的增加而升高,这是由于GaN/InxGa1−xN界面负电荷随着In组分的增加而增多引起的.φe越大,GaN层对电子的阻挡和耗尽能力越强,电子能够跃迁过GaN进入InxGa1−xN的概率就越低,因此InxGa1−xN处的电子浓度(nLB/EBL)随着φe增加而减少.另外,随着In的组分增加,InxGa1−xN/AlGaN处的禁带宽度差(ΔEc)将进一步增加,nLB/EBL越低且ΔEc越大,AlGaN型EBL的势垒将越高[26],即φA增加,从而进一步阻挡了电子泄漏,减小了漏电子.为了验证上述理论分析的正确性,不同InxGa1−xN层厚度和In组分变化对φe和φA的影响示于图7中.从图7可以看出,和前面理论分析一致,对于所有的InxGa1−xN厚度,φA都是随着In组分的增加而增加.

图4 (网刊彩色)在35 mA输入电流下,具有不同In组分的图3所示LED器件的IQE随着InGaN层厚度的变化Fig.4.(color online)Under 35 mA current injection,IQE at different InGaN thicknesses for LEDs illustrated by Fig.3 with In composition of 0,0.03,0.05,0.07.

图5 (网刊彩色)在35 mA输入电流下,具有不同In组分的图3所示LED器件的漏电子随着InGaN层厚度的变化(取值点为器件EBL处),插图为x=0.03,0.05,0.07时漏电子随厚度变化的放大图Fig.5. (color online)Under 35 mA current injection,electron leakage at different InGaN thicknesses for LEDs illustrated by Fig.3 with In composition of 0,0.03,0.05,0.07.The Inset f i gure presents the curve variation in enlarged scale.

为了解释漏电子随着InxGa1−xN厚度增加而先降低后增加的变化原因,In组分固定为0.07,改变器件InxGa1−xN层厚度的能带图示于图6(b)中.从图6(b)可以看出,随着InxGa1−xN层厚度的增加,由于极化负电荷引起的势垒φe是先增加后减少的,在厚度为10 nm时达到最大值,与图7(a)变化相符合.但是对比图7(a)和图7(b)可以发现φA并没有随φe的变化而变化,而φA则是在Y=5 nm达到最大值.这是由于增加InxGa1−xN层厚度的同时也将减小GaN层的厚度,从而增加了电子从最后一个量子阱隧穿的概率,导致InxGa1−xN处积聚的电子浓度增加.因此可以得出,随着InxGa1−xN层厚度的增加,先是由φe增加引起InxGa1−xN处积聚的电子浓度减少;而随着InxGa1−xN层厚度的进一步增加使得GaN厚度的减小导致隧穿效应作用明显,从而引起InxGa1−xN处积聚的电子浓度增加;φe对电子的限制作用和隧穿效应共同作用,使得在Y=5 nm时InxGa1−xN处积聚的电子浓度(nLB/EBL)达到最小值.在ΔEc不变的情况下,使得EBL的势垒φA将随电子浓度(nLB/EBL)的减小而增加[26],因此φA在Y=5 nm处达到最大.所以In组分固定时,随着厚度Y的增加,漏电子是先由于φe增加导致减小,而后又由于电子隧穿效应的加剧而增大,并在Y=5 nm处达到最小值.

图7 (网刊彩色)(a)在35 mA输入电流下,不同In组分的图3所示LED器件在最后一个量子垒中GaN导带势垒高度(φe)随着InxGa1−xN厚度Y的变化;(b)在35 mA输入电流下,不同In组分的图3所示LED器件EBL导带势垒高度(φA)随着InxGa1−xN厚度Y 的变化Fig.7.(color online)(a) φeand(b) φAat different InGaN thicknesses for LEDs illustrated by Fig.3 with InN composition of 0,0.03,0.05,0.07,respectively,under 35 mA current injection.

4 结 论

GaN/InxGa1−xN型最后一个量子垒结构能有效地限制电子逃逸,减小漏电子,从而提高LED器件的IQE.本文系统地研究和分析了GaN/InxGa1−xN型最后一个量子垒结构中In的组分和InxGa1−xN厚度对改善LED器件性能的影响及其机理. 发现随着In组分的增大,GaN/InxGa1−xN界面会引入更多的极化负电荷,从而减少电子泄漏,提高LED的IQE.而在GaN/InxGa1−xN最后一个量子垒总厚度保持不变的前提下,InxGa1−xN和GaN层厚度的变化将引起势垒高度和隧穿效应的变化,两者的共同作用下,只有一个适当的InxGa1−xN层厚度才能最大化减小漏电子,提高IQE.

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