移去電子阻擋層對(duì)雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED性能的影響

嚴(yán)啟榮，田世鋒，章 勇

（1.廣東省理工職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣州 510500；2.華南師范大學(xué)光電子材料與技術(shù)研究所，廣州 510631）

移去電子阻擋層對(duì)雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED性能的影響

嚴(yán)啟榮1，田世鋒1，章 勇2

（1.廣東省理工職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣州 510500；2.華南師范大學(xué)光電子材料與技術(shù)研究所，廣州 510631）

采用數(shù)值分析方法進(jìn)行模擬分析InGaN/GaN混合多量子阱中移去p-AlGaN電子阻擋層對(duì)GaN基雙藍(lán)光波長(zhǎng)發(fā)光二極管（LED）性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的具有p-AlGaN電子阻擋層的雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED相比，移去電子阻擋層能有效地改善電子和空穴在混合多量子阱活性層中的分布均勻性，實(shí)現(xiàn)電子空穴在各個(gè)量子阱中的均衡輻射。在小電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，移去電子阻擋層器件的發(fā)光功率要明顯優(yōu)于具有電子阻擋層的器件；而在大電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，電子阻擋層能有效地減少電子溢流，改善器件的發(fā)光效率。

電子阻擋層；雙藍(lán)光波長(zhǎng)；InGaN/GaN量子阱；光譜

1 引言

近年來(lái)，GaN基發(fā)光二極管（LED）得到了廣泛應(yīng)用[1~2]。目前市場(chǎng)上廣泛銷(xiāo)售的白光LED是由藍(lán)光芯片激發(fā)YAG:Ce熒光粉產(chǎn)生的黃光與部分沒(méi)有被吸收的藍(lán)光耦合成的白光發(fā)射[3]。但是，這種白光LED在大電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，顯色指數(shù)和發(fā)光效率都會(huì)降低；在小電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，發(fā)光效率也不高。導(dǎo)致LED發(fā)生光衰的原因有很多，如載流子局化、線錯(cuò)位和晶格失配引起很強(qiáng)的內(nèi)部極化電場(chǎng)[5~6]。為了提高載流子在活性區(qū)中的均勻分布和減少光衰，科學(xué)家們提出了各種方法，例如：在GaN/InGaN量子阱中使用staggered InGaN量子阱[7]、δ-AlGaN層[8~9]、type-Ⅱ InGaN-GaNAs 量子阱[10]、InGaN-delta-InN量子阱[11]和InGaN-AlGaN量子阱[12]等。最近，我們提出去掉p-AlGaN層并在活性層底部插入n-AlGaN層的結(jié)構(gòu)能改善電子和空穴在混合多量子阱活性層中的分布均勻性并減少漏電流，從而明顯改善器件的發(fā)射光譜和光衰效應(yīng)[13]。

目前，白光LED技術(shù)的目標(biāo)是既能克服光衰，又能實(shí)現(xiàn)高顯色指數(shù)。我們提出使用雙藍(lán)光波長(zhǎng)芯片激發(fā)YAG:Ce熒光粉的器件既能獲得高顯色指數(shù)又能提高光效[13~14]。傳統(tǒng)的LED結(jié)構(gòu)都會(huì)使用p-AlGaN電子阻擋層（EBL）來(lái)防止電子溢流，特別是大電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，但是卻增強(qiáng)了內(nèi)部極化效應(yīng)和阻擋空穴的注入。此外，電子阻擋層并不能使雙藍(lán)光LED獲得穩(wěn)定的雙藍(lán)光光譜，這是由于電子和空穴在活性區(qū)中分布不均衡。本文使用APSYS[15]軟件對(duì)器件的發(fā)射光譜、能帶圖、載流子濃度分布圖、靜電場(chǎng)和發(fā)光功率進(jìn)行模擬分析，深入研究具有或移去p-AlGaN電子阻擋層對(duì)雙藍(lán)光波長(zhǎng)發(fā)光二極管性能的影響。

2 器件結(jié)構(gòu)

在本實(shí)驗(yàn)中，具有電子阻擋層的雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED的結(jié)構(gòu)依次為2 μm的n-GaN層（摻雜濃度為4×1018cm-3）、兩個(gè)In0.18Ga0.82N/GaN量子阱和兩個(gè)In0.12Ga0.88N/GaN量子阱、15 nm的p-Al0.15Ga0.85N電子阻擋層（摻雜濃度5×1017cm-3）以及200 nm厚的p-GaN層（摻雜濃度5×1017cm-3），見(jiàn)圖1（a）。在本文中移去了p-AlGaN電子阻擋層，其他結(jié)構(gòu)一樣，如圖1（b）所示。所有量子阱的阱層和壘層厚度分別為3 nm和10 nm。

圖1 器件結(jié)構(gòu)

3 結(jié)果與討論

圖2（a）右上角插圖為在實(shí)驗(yàn)中含有電子阻擋層的雙藍(lán)光LED在不同電流下的電致發(fā)光（EL）光譜。圖中有明顯的雙藍(lán)光峰發(fā)射，發(fā)射峰值分別為440 nm和470 nm，是分別來(lái)自In0.12Ga0.88N/ GaN量子阱和In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的發(fā)射。在低電流時(shí)其發(fā)射主要是來(lái)自藍(lán)紫光In0.12Ga0.88N/ GaN量子阱的發(fā)射，隨驅(qū)動(dòng)電流的增大，來(lái)自藍(lán)光In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的發(fā)射逐漸增強(qiáng)。當(dāng)電流為40 mA時(shí)，藍(lán)光峰和藍(lán)紫光峰的發(fā)射強(qiáng)度幾乎一樣。隨電流的進(jìn)一步增強(qiáng)，藍(lán)光峰的發(fā)射強(qiáng)度逐漸大于藍(lán)紫光峰。驅(qū)動(dòng)電流從10 mA增至80 mA的范圍內(nèi)，藍(lán)紫光峰與藍(lán)光峰的發(fā)射強(qiáng)度比值由4.3減小到0.90。圖2（a）和（b）分別為具有電子阻擋層和移去電子阻擋層雙藍(lán)光LED在不同驅(qū)動(dòng)電流下的模擬發(fā)射光譜。在模擬計(jì)算中，對(duì)軟件的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使得模擬值和實(shí)驗(yàn)值一致。另一方面，對(duì)于移去電子阻擋層的LED在驅(qū)動(dòng)電流由10 mA增至30 mA的范圍內(nèi)，其藍(lán)紫光峰的發(fā)射強(qiáng)度略大于藍(lán)光峰；隨著電流的增大，藍(lán)光峰的發(fā)射強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，略大于藍(lán)紫光峰。但是，在驅(qū)動(dòng)電流變化的過(guò)程中，藍(lán)紫光峰和藍(lán)光峰的發(fā)射強(qiáng)度比值如圖2（b），沒(méi)有圖2（a）中相差那么大。

圖2 雙藍(lán)光LED的模擬發(fā)射光譜隨電流的變化關(guān)系

這主要是由于p-AlGaN電子阻擋層雖然能起到阻擋電子溢出活性層的作用，但同時(shí)卻阻擋空穴注入活性層，從而使空穴在有源層中分布非常不均勻，特別在小電流時(shí)該現(xiàn)象非常明顯?？昭ㄜS過(guò)p-AlGaN層的阻擋到達(dá)其鄰近的量子阱時(shí)，立刻復(fù)合發(fā)光，只有很少部分空穴能注入到靠近n-GaN側(cè)的量子阱。當(dāng)電流增大后，空穴的注入能力進(jìn)一步增強(qiáng)，從而使靠近n-GaN側(cè)的高In組分量子阱的空穴濃度得到增大，因此，藍(lán)光峰的發(fā)光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。然而，電子阻擋層的移去改善了雙藍(lán)光波長(zhǎng)光譜對(duì)電流的依賴(lài)性。

圖3（a）和（b）分別表示具有p-AlGaN電子阻擋層和移去阻擋層的雙藍(lán)光LED在20 mA時(shí)的能帶圖與準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分布圖及載流子的分布情況。當(dāng)器件含有p-AlGaN電子阻擋層時(shí)，在p-AlGaN層和GaN壘層之間由于晶格失配引起很強(qiáng)的內(nèi)部極化電場(chǎng)，從而降低了導(dǎo)帶處最后一個(gè)壘層的勢(shì)壘，減弱了對(duì)電子的限制，而在GaN壘層與p-AlGaN層界面處的價(jià)帶形成了阻擋空穴注入的尖峰。這樣會(huì)導(dǎo)致空穴濃度不足而電子濃度過(guò)剩的現(xiàn)象。另外，由于GaN基材料空穴有效質(zhì)量（1.1 m0）高于電子的有效質(zhì)量（0.2 m0），電子就更容易穿越活性層進(jìn)入活性層頂部的量子阱層，甚至溢流出有源層進(jìn)入p-GaN層。相反，空穴就比較難達(dá)到活性層靠近n-GaN側(cè)的量子阱，這樣電子空穴在活性層中分布非常不均勻，導(dǎo)致電子空穴復(fù)合發(fā)光只發(fā)生在最靠近p-GaN側(cè)的那個(gè)量子阱內(nèi)，如圖3（a）所示。因此，來(lái)自In0.12Ga0.88N/ GaN量子阱的藍(lán)紫光峰大于來(lái)自In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的藍(lán)光峰，如圖2（a）所示。電子阻擋層移去后，空穴的注入效率和電子在活性層中的限制得到了改善，從而提高了電子和空穴的輻射復(fù)合率，并得到均衡輻射，如圖3（b）所示。

模擬所得的具有電子阻擋層和移去電子阻擋層雙藍(lán)光 LED的靜電場(chǎng)如圖4所示。在20 mA電流下，傳統(tǒng)的具有p-AlGaN電子阻擋層的雙藍(lán)光LED內(nèi)部量子阱的靜電場(chǎng)明顯大于移去電子阻擋層的雙藍(lán)光 LED。具有電子阻擋層雙藍(lán)光 LED的藍(lán)光量子阱In0.18Ga0.82N/ GaN的靜電場(chǎng)約為16×105V·cm-1，大于移去電子阻擋層雙藍(lán)光 LED的14.5×105V·cm-1。并且，具有電子阻擋層雙藍(lán)光LED活性區(qū)中靠近p-GaN的那個(gè)藍(lán)紫光量子阱In0.12Ga0.88N/GaN的靜電場(chǎng)比移去電子阻擋層雙藍(lán)光LED的大出約2.3×105V·cm-1。此外，p-AlGaN層的存在使得靠近p-GaN的那個(gè)量子壘層和p-AlGaN電子阻擋層的界面處存在較強(qiáng)的電場(chǎng)，這可能會(huì)導(dǎo)致勢(shì)壘高度下降和嚴(yán)重的電子泄漏。可見(jiàn)，電子阻擋層的移除使靜電場(chǎng)得到削弱，能帶彎曲得到減少，有利于在小電流注入下活性區(qū)對(duì)電子的限制和空穴的注入。

圖3 雙藍(lán)光LED在20 mA時(shí)的能帶圖和準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分布圖及載流子的分布情況

圖4 靜電場(chǎng)分布圖

圖5 模擬光功率值和內(nèi)量子效率隨注入電流的變化關(guān)系

圖5（a）和（b）分別表示具有電子阻擋層和移去電子阻擋層雙藍(lán)光LED的模擬輸出光功率值和內(nèi)量子效率隨注入電流的變化關(guān)系，空心點(diǎn)表示具有電子阻擋層器件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)電流小于116 mA時(shí)，移去電子阻擋層LED的發(fā)光功率比具有電子阻擋層的大，但隨著電流的增大，移去電子阻擋層LED的發(fā)光功率的增加變得非常緩慢，并且低于具有電子阻擋層LED的功率。值得注意的是具有電子阻擋層LED的內(nèi)量子效率在小電流迅速下降后一直保持在38%左右，而移去電子阻擋層LED的內(nèi)量子效率在4.5 mA時(shí)達(dá)到最大值93%，然后迅速地下降，直到電流大于116 mA時(shí)，其效率低于具有電子阻擋層的LED。這是由于在小電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，具有電子阻擋層LED活性區(qū)內(nèi)極化電場(chǎng)的作用導(dǎo)致電子溢流加劇，而隨著電流的增加，p-AlGaN層對(duì)電子溢流的阻擋作用變得顯著，從而提高器件的發(fā)光功率。

4 結(jié)論

通過(guò)分析比較具有電子阻擋層和移去電子阻擋層雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED的發(fā)射光譜、能帶圖、準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分布圖、載流子濃度分布圖、靜電場(chǎng)以及發(fā)光功率，結(jié)果表明移去p-AlGaN電子阻擋層能有效地改善電子和空穴在混合多量子阱活性層中的分布均勻性，實(shí)現(xiàn)電子空穴在各個(gè)量子阱中的均衡輻射。但是，在小電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，移去電子阻擋層LED的發(fā)光功率要明顯優(yōu)于具有電子阻擋層的LED；而在大電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，電子阻擋層能有效地減少電子溢流，改善器件的發(fā)光效果。

[1] SCHUBERT E F, KIM J K. Solid- state light sources getting smart [J]. Science，2005, 308（5726）: 1274-1278.

[2] PIMPUTKAR S, SPECK J S, DENBAARS S P, et al. Prospects for LED lighting [J]. Nature Photonics, 2009, 3（32）: 180-182．

[3] ZUKAUSKAS A, VAICEKAUSKAS R, IVANAUSKAS F, et al. Optimization of white polychromatic semiconductor lamps [J]. Appl. Phys. Lett. 2002, 80（2）: 234-236.

[4] KIM M H, SCHUBERT M F, DAI Q, et al. Origin of eff i ciency droop in GaN-based light-emitting diodes [J]. Appl. Phys.Lett. 2007, 91（18）: 1-3.

[5] KUO Y K, YEN S H, TSAI M C, et al. Effect of spontaneous and piezoelectric polarization on the optical characteristics of blue light-emitting diodes [J]. Proc. of SPIE. 2007, 6669: 1-8.

[6] LEE W, KIM M H, ZHU D, et al. Growth and characteristiccs of GaInN/GaInN multiple quantum well light-emitting diodes [J]. J Appl. Phys., 2010,107:1-6.

[7] ARIF R A, EE Y K, TANSU N. Polarization engineering via staggered InGaN quantum wells for radiative eff i ciency enhancement of light emitting diodes [J]. Appl. Phys. Lett., 2007, 91（9）: 1-3.

[8] PARK J, KAWAKAMI Y. Photoluminescence property of InGaN single quantum well with embedded AlGaN delta layer [J]. Appl. Phys. Lett., 2006, 88（20）: 202107-1202110.

[9] PARK S H, Park J, YOON E. Optical gain in InGaN/GaN quantum well structures with embedded AlGaN layer [J]. Appl. Phys. Lett., 2007, 90（2）: 1-3.

[10] ARIF R A, ZHAO H, TANSU N. Type-II InGaN-GaNAs quantum wells for lasers applications [J]. Appl. Phys. Lett., 2008, 92（1）: 1-3.

[11] HAO H, LIU G, TANSU N. Analysis of InGaN-delta-InN quantum wells for light-emitting diodes [J]. Appl. Phys. Lett., 2010, 97（13）: 1-3.

[12] CHANG S J, KUO C H, SU Y K, et al. 400 nm InGaNGaN and InGaN-AlGaN multiquantum well light-emitting diodes [J]. Selected Topics in Quantum Electron, 2002, 8（4）: 744-748.

[13] YAN Q R, ZHANG Y, LI S T, et al. Improved color rendering of phosphor-converted white light-emitting diodes with dual-blue active layers and n-type AlGaN layer [J]. Optics Letters, 2012, 37（9）: 1556 -1558.

[14] CHEN Xianwen, ZHANG yong, LI Shuti, et al. Improving color rendering of Y3Al5O12:Ce3+R white light-emitting diodes based on dual-blue-emitting active layers [J]. Phys. Status Solidi A, 2011, 208（8）: 1972-1975.

[15] Crosslight Software Inc 2014 [EB/OL]. http://www. crosslight.com/products /apsys.shtml.

Effect of Removing Electron-blocking Layer on Performance of Dual-blue Wavelength Light-emitting Diodes

YAN Qirong1, TIAN Shifeng1, ZHANG Yong2

（1.Guangdong Vocational school of polytechnic,Guangzhou510500,China; 2.Institute of Optoelectronic Materials and Technology,South China Normal University,Guangzhou510631,China）

The effect of removing electron-blocking layer（EBL）on the physical properties of dual-blue wavelength light-emitting diode（LED）is investigated numerically. The results show that compared with the dual-blue LED with a p-type AlGaN EBL, it can improve the distribution of electrons and holes more uniformly in the multiple quantum wells（MQWs）and realize the radiation balance between dual-blue light by removing the p-type AlGaN EBL. The light output power of the LED without EBL is superior to that of the LED with EBL at the low injection current. However, the leakage current can be reduced by the EBL with the injection current increasing, so the eff i ciency droop will be improved.

electron-blocking layer; dual-blue wavelength; InGaN/GaN quantum well; spectrum

O242.1

A

1681-1070（2014）11-0045-04

嚴(yán)啟榮（1985—），男，廣東佛山人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣怆娮悠骷圃炫c半導(dǎo)體照明應(yīng)用。

2014-08-08