多量子阱壘結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高GaN基LED發(fā)光效率研究

游瑜婷

摘 要：為了解決由于極化效應(yīng)引起的漏電流影響發(fā)光效率的問題，以k.p理論為基礎(chǔ)建立多量子阱模型，分析研究了GaN基LED中不同的InGaN/InGaN多量子阱發(fā)光層勢壘結(jié)構(gòu)?；诨衔锇雽?dǎo)體器件的電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)屬性的有限元分析，設(shè)計與優(yōu)化多量子阱中靠近P型AlGaN電子阻檔層倒數(shù)第二層勢壘，顯著提高了光輸出功率，減少漏電流.數(shù)值模擬分析表明，改良多量子阱勢壘能夠大幅提高高亮度、高功率器件結(jié)構(gòu)光電特性。

關(guān)鍵詞：GaN基LED 多量子阱 InGaN 壘結(jié)構(gòu)

中圖分類號：0471 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（c）-000-04

以氮化鎵（GaN）為代表的Ⅲ-V族氮化物材料在近十年來得到廣泛研究，發(fā)展及應(yīng)用。GaN基高效發(fā)光二極管具有壽命長、節(jié)能、綠色環(huán)保等顯著特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于大屏幕彩色顯示、汽車照明和交通信號、多媒體顯示、光通訊等領(lǐng)域.但是，實(shí)驗(yàn)研究表明GaN基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的發(fā)光效率會受一些因素影響，其中包括由極化效應(yīng)引起的漏電流[1-2]，俄歇復(fù)合[3]，較高結(jié)溫[4]，較低的空穴注入效率[5-6]等等。

這些問題均已經(jīng)嚴(yán)重制約了GaN基半導(dǎo)體發(fā)光二極管作為高亮度、高功率器件在照明領(lǐng)域的商業(yè)應(yīng)用，因而受到了全世界GaN基半導(dǎo)體發(fā)光二極管研究者和制造者得廣泛關(guān)注，大量的資金投入到研究和改善工作中。

Ⅲ族氮化物較大的自發(fā)極化常數(shù)和壓電極化常數(shù)可導(dǎo)致很強(qiáng)的自發(fā)極化電場和壓電極化電場。極化效應(yīng)使InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)的帶邊由方形勢變成三角形勢，并使電子和空穴的分布產(chǎn)生空間分離從而減小發(fā)光效率。

Shim[7]等研究了不同形狀的量子阱的發(fā)光效率，發(fā)現(xiàn)梯形阱比方形阱和三角阱的發(fā)光效率要高，重現(xiàn)性要好.而針對In組分梯度變化的量子阱結(jié)構(gòu)的研究還是比較少，實(shí)驗(yàn)上也不多。對此，該文做了一些相關(guān)計算模擬用來說明該結(jié)構(gòu)的顯著效果。

該文以k.p理論為基礎(chǔ)，結(jié)合多能帶底有效質(zhì)量修正，根據(jù)量子阱的多體增益和自發(fā)發(fā)射模型，表面電荷自發(fā)極化作用的自洽量子約束和運(yùn)輸模型，建立了多量子阱結(jié)構(gòu)，保持了非有源區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，通過設(shè)計與優(yōu)化多量子阱中不同勢壘層，分析對比相應(yīng)的光輸出功率圖譜，提出了一種高效的量子阱結(jié)構(gòu)，并對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究。

1 結(jié)構(gòu)與參數(shù)優(yōu)化

1.1 LED外延結(jié)構(gòu)模型

依據(jù)壓電理論[8]基礎(chǔ)，利用有限元分析方法，以漂移-擴(kuò)散模型和電流連續(xù)方程[9]為基礎(chǔ)，通過自洽求解泊松方程建立如下外延結(jié)構(gòu)模塊[10]包括3 um的n-GaN層（n型摻雜濃度為）；有源層由6層10 nm的勢壘與5層4nm相間組成；20 nm的p-電子阻擋層（p型摻雜濃度為）；15 nm的p-層（p型摻雜濃度為）。該裝置的幾何模型為300 μm×300 μm的正方形，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中、、分別為AlN、GaN、InN的壓電極化參數(shù)。LED裝置的內(nèi)吸收設(shè)定為500 m-1，操作溫度設(shè)定為300 K。為了簡化仿真，光的提取效率設(shè)定為0.78。其他半導(dǎo)體材料的參數(shù)設(shè)定參照參考文獻(xiàn)[13]。

2.2 量子阱勢壘參數(shù)對比優(yōu)化

根據(jù)上述的外延結(jié)構(gòu)對有源層的6層10nm勢壘分別進(jìn)行優(yōu)化處理，方法為以2nm-/2nm-/2nm-/2nm-/2nm-結(jié)構(gòu)的勢壘（其中x值沿外延生長方向逐漸增加）替代原來10 nm的結(jié)構(gòu)的勢壘，如圖2所示。

圖中x表示InGaN中In的含量。按照圖2所示方式對6層勢壘結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)最靠近P型AlGaN電子阻擋層的倒數(shù)一二層勢壘對光輸出功率有增強(qiáng)作用，其余勢壘結(jié)構(gòu)對其影響不大甚至有減弱作用。該仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果：Ⅲ族氮化物多量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光主要來源于靠近p區(qū)的量子阱相符合。因此采取對比排除法，依據(jù)只優(yōu)化倒數(shù)一二層與不優(yōu)化倒數(shù)一二層思路，設(shè)置了只優(yōu)化倒數(shù)第一層勢壘，只優(yōu)化倒數(shù)第二層勢壘，共同優(yōu)化倒數(shù)第一二層勢壘以及不優(yōu)化倒數(shù)一層，不優(yōu)化倒數(shù)二層，倒數(shù)一二層均不優(yōu)化這六組，最后再設(shè)置一組全部優(yōu)化的對照組⑦。具體優(yōu)化步驟如下表1所示。

表中只是顯示出6層勢壘結(jié)構(gòu)，而忽略5層阱結(jié)構(gòu)。上表中倒一層表示最靠近P型AlGaN電子阻擋層的勢壘，其余行意義依次類推可知.√處表示對勢壘層進(jìn)行了如圖2所示的優(yōu)化處理，而空白處表示未做任何處理。根據(jù)上表對應(yīng)的外延結(jié)構(gòu)一一進(jìn)行仿真，對比分析不同組的光輸出功率圖得出一種最優(yōu)的量子阱結(jié)構(gòu)模型。

2 結(jié)果與討論

2.1 優(yōu)化量子阱的仿真結(jié)果

按照第2部分的表1進(jìn)行仿真，得到8組光輸出功率圖譜（L-I曲線）。根據(jù)光輸出功率優(yōu)于基準(zhǔn)與劣于基準(zhǔn)，將該8組進(jìn)行分組對照繪制，分組如下表2所示。

根據(jù)圖3與圖4的仿真結(jié)果可知，組一中結(jié)構(gòu)②的L-I曲線遠(yuǎn)優(yōu)于基準(zhǔn)等其他結(jié)構(gòu)，而組二中的則以基準(zhǔn)的L-I曲線最優(yōu)，由此可知，組一中的結(jié)構(gòu)②優(yōu)化效果最佳.也即是通過設(shè)計與優(yōu)化多量子阱中靠近P型AlGaN電子阻檔層倒數(shù)第二層勢壘，能夠顯著提高光輸出功率。

2.2 分析與討論

根據(jù)上述結(jié)果，以下均將最佳優(yōu)化效果②與基準(zhǔn)進(jìn)行對比分析.兩種模型仿真的光輸出功率圖繪制如圖5所示?？芍陔娏鞯妥⑷霑r候，兩種結(jié)構(gòu)的光功率差異不大.隨著注入電流的增加，兩種結(jié)構(gòu)的輸出光功率差異逐步加劇。結(jié)構(gòu)②幾乎呈現(xiàn)線性快速增長，而基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的光輸出功率只是緩慢增長.當(dāng)注入電流為350 mA時候，結(jié)構(gòu)②的光輸出功率幾乎為基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的6倍

左右。

為了解釋上述現(xiàn)象，圖6（a）為基準(zhǔn)的能帶圖，可知InGaN/InGaN多量子阱結(jié)構(gòu)在極化電場的影響下，導(dǎo)帶和價帶的邊帶變成了三角形勢。這主要是由于極化效應(yīng)在量子阱中產(chǎn)生極化電場。電場的存在使多量子阱結(jié)構(gòu)中各層沿著生長方向上產(chǎn)生壓降，壓降正比于該層的電場強(qiáng)度和厚度，進(jìn)而極化效應(yīng)的存在使得邊帶形狀發(fā)生改變。

圖6（b）為靠近p-AlGaN倒數(shù)第二層勢壘的放大能帶圖.由于斜三角勢壘的存在，產(chǎn)生了量子限制斯塔克效應(yīng)（QCSE）[14]，使得電子向能級低得方向即導(dǎo)帶的三角帶邊和空穴向能量高的方向即價帶的三角帶邊移動，導(dǎo)致電子和空穴分別向不同側(cè)邊聚集，從而減少載流子復(fù)合幾率。這些都會導(dǎo)致大的漏電流，使得多量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光效率低。按照圖2所示的優(yōu)化方法，勢壘帶邊由三角形變成了方形，如圖7（a）所示為結(jié)構(gòu)②的能帶圖.不同于基準(zhǔn)的能帶圖，結(jié)構(gòu)②中靠近p-AlGaN倒數(shù)第二層的勢壘呈現(xiàn)梯形結(jié)構(gòu)，如圖7（b）所示。

這樣能夠大大削弱極化電場作用，特別是壓電極化作用，有效限制電子和增加空穴的注入，減少漏電流，增強(qiáng)阱區(qū)收集載流子的能力，增加了俘獲電子和空穴的概率，從而使得電子與空穴之間能夠達(dá)到高效復(fù)合.另一方面勢壘中In含量沿外延生長方向線性增加能夠釋放應(yīng)力，相應(yīng)的減小壓電極化，電子空穴波函數(shù)空間交疊得以加強(qiáng)，使得光學(xué)躍遷矩陣元增大[15]，有效地減少了非輻射復(fù)合，提高了多量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光效率，從而使量子阱的性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，符合Shim等研究結(jié)論。

3 結(jié)語

該文針對由于極化效應(yīng)引起的漏電流影響發(fā)光效率的問題，基于k.p理論建立多量子阱模型，分析研究了GaN基LED中不同的InGaN/InGaN多量子阱發(fā)光層勢壘結(jié)構(gòu)，設(shè)計出一種高效的量子阱結(jié)構(gòu).該量子阱結(jié)構(gòu)能夠顯著提高光輸出功率，減少漏電流，性能遠(yuǎn)優(yōu)于其他結(jié)構(gòu).數(shù)值模擬分析表明，設(shè)計與優(yōu)化多量子阱中靠近P型AlGaN電子阻檔層倒數(shù)第二層勢壘能夠大幅提高高亮度、高功率LED器件的光電特性。

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