壘層p型摻雜量的分布對(duì)InGaN基發(fā)光二極管性能的影響

劉 超，李述體 ，仵樂娟，王海龍

(華南師范大學(xué)光電子材料與技術(shù)研究所，廣東廣州510631)

近年來，發(fā)光二極管(LED)的性能得到了顯著的提升，在汽車車燈、戶外照明和背光顯示等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用. 但是，LED 在大注入電流下的效率衰減問題阻礙其在大功率照明方面的應(yīng)用. 針對(duì)LED 效率衰減問題的機(jī)制，眾多研究者提出了不同的解釋，包括載流子泄漏［1－3］、俄歇復(fù)合［4］、空穴的不均勻分布［5－6］和位錯(cuò)導(dǎo)致的載流子泄漏［7］等. 其中，在大電流下電子限制不充分和空穴注入效率過低被認(rèn)為是導(dǎo)致效率衰減的主要原因［6，8］. 通常傳統(tǒng)LED 結(jié)構(gòu)采用AlGaN 電子阻擋層減少載流子泄漏，但是由于GaN 壘層與AlGaN 電子阻擋層存在較大的晶格失配，在最后一個(gè)GaN 壘層與AlGaN 電子阻擋層的界面處會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的極化電場(chǎng)，導(dǎo)致最后一個(gè)壘層及電子阻擋層的能帶傾斜，不利于電子的限制及空穴的注入［1，9］. 另外，空穴的有效質(zhì)量較大，遷移率較小，使得空穴從p 型層遷移到發(fā)光多量子阱區(qū)域較為困難. PARK 等［10］研究表明對(duì)發(fā)光多量子阱所有的壘層進(jìn)行均勻的p 型摻雜，能減小極化電場(chǎng)進(jìn)而減小能帶彎曲，改善電子限制促進(jìn)空穴注入，提高發(fā)光效率. 本文研究了在壘層p 型總摻雜量相同的情況下，壘層p 型摻雜的分布對(duì)LED 性能的影響，表明當(dāng)所有的p 型摻雜量集中于最后一個(gè)壘層時(shí)，電子限制和空穴注入效應(yīng)均可明顯增強(qiáng).

1 結(jié)構(gòu)與參數(shù)

樣品結(jié)構(gòu)包括2.0 μm 厚的u－GaN 和3.0 μm厚的n－GaN(C(n)=5×1018cm－3)，6個(gè)周期的多量子阱結(jié)構(gòu)(每個(gè)周期包括6個(gè)3 nm 厚的In0.16Ga0.84N量子阱和6個(gè)10 nm 的GaN 壘層)，20 nm 厚的p－AlGaN 電子阻擋層，170 nm 厚的p－GaN(C(p)=1 ×1018cm－3). 該器件設(shè)計(jì)為300 μm× 300 μm 的正方形結(jié)構(gòu). 不同的p 型摻雜分布如圖1 所示. 指定壘層未摻雜的LED 為樣品A(傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)樣品)，樣品B 的所有壘層均為p 型摻雜(每個(gè)壘層摻雜量為2 ×1017cm－3)，樣品C 在最后3個(gè)壘層進(jìn)行p 型摻雜(每個(gè)壘層摻雜量為4 ×1017cm－3)，樣品D 在最后1個(gè)壘層進(jìn)行p 型摻雜(每個(gè)壘層摻雜量為1.2 ×1018cm－3). 樣品B、C、D 的壘層p 型總摻雜量相同，但壘層p 型摻雜的分布不同. 為簡(jiǎn)化模擬，工作溫度設(shè)定為300 K，光提取效率為0.78. 在模擬中使用的半導(dǎo)體材料的其他參數(shù)參照文獻(xiàn)［11］.

2 結(jié)果與討論

樣品A、B、C、D 的模擬光功率隨注入電流的變化曲線如圖2 所示. 當(dāng)注入電流較小時(shí)，樣品A、B、C、D 的光功率差異較小. 隨注入電流增大，4個(gè)樣品光功率差異逐漸增大，在200 mA 下的光功率分別為90、114、122 和167 mW. 樣品A 的光功率小于其余3個(gè)樣品. 可見壘層p 型摻雜能有效改善LED的發(fā)光效率. 另外，樣品B、C、D 的發(fā)光效率依次增大，表明對(duì)壘層中p 型摻雜的分布的調(diào)整能有效改善LED 在大注入電流下的發(fā)光性能，當(dāng)所有的p 型 摻雜量集中于最后一個(gè)壘層時(shí)，發(fā)光效率最佳.

圖1 不同樣品的壘層p 型摻雜量的分布Figure 1 Schematic diagram of p－doping distribution in barriers

圖2 4個(gè)樣品的光功率隨電流變化Figure 2 Output power as a function of injection current for the four samples

圖3 所示，極化場(chǎng)引起最后1個(gè)GaN 壘層及電子阻擋層的能帶傾斜，減小電子阻擋層對(duì)于電子的有效勢(shì)壘高度，導(dǎo)致電子泄漏. 對(duì)于空穴而言，空穴有效質(zhì)量較大并且遷移率較低，能帶傾斜也會(huì)阻礙空穴向發(fā)光多量子阱區(qū)域的注入. 理論模擬顯示，樣品A、B、C、D 中電子的有效勢(shì)壘高度分別為192.3、200.6、203.4、238.8 meV. 與此同時(shí)，樣品A、B、C、D 中空穴的有效勢(shì)壘高度分別為229.0、220.9、218.3、194.9 meV. 可以看出，樣品A 中電子的有效勢(shì)壘高度小于其他3個(gè)樣品，同時(shí)樣品A 中空穴的有效勢(shì)壘高度大于其他3個(gè)樣品. 表明對(duì)壘層進(jìn)行p 型摻雜能夠改善電子限制和空穴注入情況. 另外，樣品B、C、D 中電子的有效勢(shì)壘高度逐漸增大，空穴的有效勢(shì)壘高度逐漸減小，表明隨著更多的p 型摻雜量集中于最后1個(gè)壘層，電子限制及空穴注入更加有效，主要因?yàn)閜 型重?fù)诫s有利于屏蔽極化電場(chǎng)，緩解極化電場(chǎng)導(dǎo)致的能帶彎曲［12］. 總之，通過調(diào)整壘層p 型摻雜量的分布能夠有效地改善電子限制及空穴注入，進(jìn)而有效改善發(fā)光效率.

在4 種結(jié)構(gòu)的載流子濃度分布(圖4)中，電子與空穴分布相似，都集中在靠近p 區(qū)的量子阱中，在最后1個(gè)量子阱中電子和空穴大量積累，表明4個(gè)樣品的發(fā)光主要集中在靠近p 型的量子阱中. 樣品B、C、D 的最后2個(gè)阱中電子和空穴濃度均大于樣品A，這是由于壘層p 型摻雜能夠改善電子限制及空穴注入. 另外，樣品B、C、D 的最后1個(gè)阱中電子和空穴濃度依次增大，可解釋為隨著更多的p 型摻雜量集中于最后1個(gè)壘層，空穴的有效勢(shì)壘高度更小，有利于更有效地注入空穴及限制電子. DAVID等［8］報(bào)道了載流子在多量子阱中分布不均勻，只有臨近p 型層的阱參與輻射復(fù)合. 所以隨著更多的p型摻雜量集中于最后1個(gè)壘層，臨近p 型層的阱中電子及空穴濃度的增加可以解釋發(fā)光效率的增強(qiáng).

圖5 所示，在200 mA 外加電流情況下，在毗鄰n 端的第1個(gè)量子阱中，4 種結(jié)構(gòu)具有相近的電子電流密度，而靠近p 區(qū)的量子阱差異較大. 樣品A 的電子溢出明顯大于其他3個(gè)樣品，說明對(duì)壘層進(jìn)行p 型摻雜可以減小電子泄漏. 另外，隨著更多的p 型摻雜量集中于最后1個(gè)壘層，電子溢出現(xiàn)象明顯緩解. 主要原因在于電子阻擋層對(duì)電子更有效的限制，使更多電子限制在多量子阱區(qū)域參與輻射復(fù)合發(fā)光.

圖3 200 mA 下不同樣品的能帶Figure 3 Energy band diagrams of different samples at 200 mA forward current

圖4 200 mA 下電子與空穴的濃度分布Figure 4 Electron and hole concentration distribution at 200 mA forward current

圖5 200 mA 下4個(gè)樣品的電子電流分布Figure 5 Electron current density in the four structures at 200 mA forward current

圖6 中，效率衰減量定義為(ηpeak－ η200mA)/ηpeak. 樣品A、B、C、D 的效率衰減量分別為46.0%、32.4%、29.2%和7.6%. 樣品B、C、D 的效率衰減量小于樣品A. 說明對(duì)壘層進(jìn)行p 型摻雜可以改善效率衰減問題. 另外，隨著更多的p 型摻雜量集中于最后1個(gè)壘層，效率衰減也得到改善. 其原因是在大電流注入情況下，電子受到更有效的限制，使電子泄漏減少，進(jìn)而降低電子與p 型層空穴發(fā)生非輻射復(fù)合幾率. 因此，發(fā)光效率極大提升.

圖6 4個(gè)樣品的內(nèi)量子效率隨電流的變化Figure 6 IQE as a function of current for the four samples

3 結(jié)論

應(yīng)用APSYS 模擬軟件對(duì)不同壘層p 型摻雜量分布的LED 進(jìn)行了數(shù)值模擬研究. 對(duì)光功率、能帶圖、載流子濃度、電子電流分布以及內(nèi)量子效率進(jìn)行了系統(tǒng)的研究. 結(jié)果表明，當(dāng)所有的p 型摻雜量集中于最后1個(gè)壘層時(shí)，光輸出功率增大，泄漏電流降低，內(nèi)量子效率隨電流增加而降低的現(xiàn)象得到緩解.優(yōu)化壘層p 型摻雜量的分布，能提高空穴注入效率，同時(shí)有效地將電子限制在InGaN/GaN 多量子阱中，改善了光電特性.

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