p-AlGaN/GaN超晶格做p型層350 nm紫外AlGaN基LED

王丹丹,丁 娟,韓孟序,孟錫俊

(1.西安電子科技大學(xué) 寬禁帶半導(dǎo)體國家重點實驗室,陜西 西安 710071;2.中為光電科技有限公司,陜西 西安 710071)

p-AlGaN/GaN超晶格做p型層350 nm紫外AlGaN基LED

王丹丹1,丁 娟1,韓孟序1,孟錫俊2

(1.西安電子科技大學(xué) 寬禁帶半導(dǎo)體國家重點實驗室,陜西 西安 710071;2.中為光電科技有限公司,陜西 西安 710071)

使用p-AlGaN/p-GaN SPSLs作為LED的p型層,在藍(lán)寶石襯底上生長出發(fā)光波長為350 nm的AlGaN基紫外LED。由于AlGaN/GaN超晶格的極化效應(yīng),使得Mg受主的電離能降低,大幅提高了器件的光學(xué)和電學(xué)性能。在工作電流為350 mA下發(fā)光亮度達(dá)到了22.66 mW,相應(yīng)的工作電壓為3.75 V,LEDs的光功率滿足了實際應(yīng)用需求。

AlGaN基紫外LED;AlGaN/GaN超晶格;I-V特性

紫外LED在照明、殺菌、醫(yī)療、印刷、生化檢測、高密度信息存儲和保密通訊等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。作為新一代綠色能源,GaN基的紫外LED是目前最為理想的替代汞燈的光源。近年來,波長<365 nm的AlGaN基LED因在環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療器械和照明方面的廣泛應(yīng)用受到了越來越多的關(guān)注。但365 nm以下的紫外LED的發(fā)光功率比波長>365 nm的低一個數(shù)量級,嚴(yán)重限制了它的應(yīng)用,要達(dá)到市場化應(yīng)用水平,發(fā)光功率至少在mW量子級別[1]。提高AlGaN基LED的性能對于365 nm以下波長的應(yīng)用是關(guān)鍵。因晶體質(zhì)量差,在藍(lán)寶石襯底上生長高性能的GaN/AlGaN基UVLED較為困難。

傳統(tǒng)的p-型使用Mg摻雜的AlGaN,但器件均表現(xiàn)出較差的光學(xué)和電學(xué)特性[2],如光輸出功率較低,工作電壓較高。因AlGaN三元合金摻雜受主有極大的激活能,使得p型層空穴濃度比n型層至少一個數(shù)量級,電阻較大,結(jié)晶質(zhì)量差產(chǎn)生大量的螺位錯和線位錯,位錯會形成非輻射復(fù)合中心和漏電通道,惡化器件性能[3]。針對p型摻雜的問題,本文提出了使用短周期超晶格(Short Period Super lattices,SPSLs)替換傳統(tǒng)的P-AlGaN層。并采用p-AlGaN/p-GaN SPSLs作為LED的p型層,獲得的LED器件性能良好,且已被用于商業(yè)化的批量生產(chǎn)。

1 實驗原理

p型超晶格提高空穴濃度的機(jī)理是價帶頂周期性的振蕩,如圖1所示。由于所受應(yīng)力的AlGaN層的自發(fā)和壓電極化引起的高電場導(dǎo)致了超晶格能帶的彎曲[4]。受主雜質(zhì)在遠(yuǎn)離費(fèi)米能級的價帶邊發(fā)生電離,產(chǎn)生的空穴聚集到距離費(fèi)米能級較近的價帶邊,形成被束縛的薄空穴氣。位于費(fèi)米能級下的受主雜質(zhì)能級離費(fèi)米能級越遠(yuǎn)時,受主雜質(zhì)的激活能越低,越容易電離出空穴。被電離出的空穴被移動到費(fèi)米能級之上,遠(yuǎn)離了受主離子,打破了電離平衡,進(jìn)一步促進(jìn)了受主雜質(zhì)的電離[5]。Kumakura K等人對文獻(xiàn)[6]Mg摻雜的p-AlGaN/p-GaN超晶格的受主雜質(zhì)激活能進(jìn)行了測試,發(fā)現(xiàn)其激活能為20.5 meV,遠(yuǎn)低于Mg摻雜的p-GaN體材料的激活能,180 meV。

圖1 考慮極化效應(yīng)的超晶格能帶圖

盡管超晶格中的自由空穴被分立成平行的空穴氣,但是它們空間上的平均空穴密度遠(yuǎn)比單純的體材料的空穴密度大很多。由于聚集空穴氣的溝道中電離雜質(zhì)較少,因此空穴氣沿溝道方向具有較高的遷移率。較高的空穴氣濃度和遷移率使得超晶格獲得了較大的橫向電導(dǎo)。但縱向上由于存在多個勢壘,超晶格的縱向電導(dǎo)將比p-GaN體材料的電導(dǎo)要小。

當(dāng)器件加正向偏壓時,p-GaN/AlGaN SLs 中GaN層可被看做是有很多平行電阻并聯(lián)的低電阻導(dǎo)電層,電流在GaN阱層可較好的擴(kuò)展開,寬禁帶的AlGaN層可被當(dāng)做一系列串聯(lián)電阻,在高電流注入下會阻擋載流子的垂直注入[7]。

LED p層的主要作用是為MQWs注入空穴。內(nèi)量子效率η=單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光子數(shù)/單位時間內(nèi)注入的電子-空穴對數(shù)。理想的直接帶隙的GaN族的η趨于100%,則其單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光子數(shù)約等于單位時間內(nèi)注入MQWs的空穴電子對。由于目前n層電子注入能力遠(yuǎn)好過p層的空穴注入能力,所以單位時間內(nèi)注入MQWs的電子遠(yuǎn)比空穴多,使得單位時間內(nèi)注入的空穴電子對數(shù)約等于單位時間內(nèi)由p層注入的空穴量。將LED的MQWs等效為二極管,而其他部分等效為電導(dǎo)網(wǎng)絡(luò),如圖2所示,則單位時間內(nèi)注入MQWs的空穴量在該模型中變?yōu)榱魅攵O管的電流密度J。即電導(dǎo)網(wǎng)模型中,電流密度J約等于單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光子數(shù)。電流密度J越大,單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光子數(shù)越多,LED的光輸出功率(Light Out Power,LOP)也越大。當(dāng)外加恒定電流時,二極管的串聯(lián)電導(dǎo)越大,需要的外加電場越小。半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)滿足公式:電導(dǎo)σ=載流子濃度p×載流子遷移率μ×電荷量q,其中電荷量q是常量。這意味著,提高載流子濃度或者載流子遷移率便能提高電導(dǎo)值,進(jìn)而降低外加電場,即降低額定工作電流下LED的工作電壓,并提高發(fā)光效率。

圖2 LED等效電路圖

2 實驗參數(shù)

本文LED芯片采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)在c面藍(lán)寶石襯底上生長,圖3是LED芯片結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)包括u-GaN緩沖層,2 μm厚Si摻雜n-GaN層,Al0.05Ga0.95N/Al0.12Ga0.88N多量子阱層,10 nm厚的p-Al0.20Ga0.80N 電子阻擋層,Mg摻雜p-GaN/Al0.20Ga0.80N層,p+GaN接觸層。p-SPSLs周期數(shù)為20個,每個周期GaN和Al0.20Ga0.80N厚度分別為2 nm 和3 nm。P-AlGaN/GaN SPSLs的生長溫度為960 ℃。外延生長結(jié)束后,通過標(biāo)準(zhǔn)化的芯片制程將3個外延片制作成LED芯片樣品,芯片面積為45 mil×45 mil(1 mil=0.025 4 mm),陽極為InSnO(ITO)電流擴(kuò)展層加上CrNiAu電極,陰極僅為CrNiAu電極。

在維明LED-617上,對每種實驗樣品抽取了200顆芯片進(jìn)行了光電性能的測試,設(shè)備使用UV-100測試探頭。本文測試了從每種LED樣品中抽取出的200顆芯片的電致發(fā)光(EL)功率。

圖3 正裝LED的外延結(jié)構(gòu)及芯片結(jié)構(gòu)

3 實驗結(jié)果

圖4為動態(tài)電阻隨外加電壓的曲線圖,當(dāng)電壓<1.0 V時,電阻為109～1 010 Ω,這是因在GaN/AlGaN SLs中,載流子沿著異質(zhì)結(jié)面擴(kuò)散,出現(xiàn)電流擴(kuò)展,此時載流子幾乎都限制在阱層中,所以電阻非常大。當(dāng)電壓為1.0～3 V時,動態(tài)電阻值急劇下降,此時具有較大能量的載流子數(shù)增多,隨著外加電壓的增大,均勻的分布在整個超晶格中。短周期超晶格的阱層的載流子密度很高,會從勢阱中隧穿到勢壘層中,所以載流子不僅會水平遷移,還會發(fā)生垂直遷移,使電流得到更好的擴(kuò)展。

圖4 動態(tài)電阻隨電壓的變化曲線

從圖5的I-V曲線中可看到,在20 mA下LED的開啟電壓為3.41 V,在350 mA電流注入下,工作電壓為3.75 V。p-SLs的作為p型層,使器件的工作電壓非常理想,因為短周期超晶格橫向電阻和縱向電阻的不同,橫向電阻小,電流更容易向整個LED界面擴(kuò)展開來,使電流分布更均勻。同時,因超晶格中的空穴密度高,在加正向偏壓時,空穴容易穿過勢壘,發(fā)生垂直遷移,減小LED器件的寄生電阻和工作電壓。LED樣品在350 mA電流下的正向電壓和光輸出功率的測試結(jié)果如圖6所示。樣品的峰值波長約為350 nm。由圖可知,發(fā)光功率LOP隨著注入電流的增大線性增大,在工作電流為350 mA時,發(fā)光亮度LOP為22.66 mA,此時的EQE為1.73%。使用p-GaN/AlGaN超晶格作為LED的p層,器件的發(fā)光功率有了大幅提高,這是因超晶格的使用降低了Mg的電離能,p層不僅空穴濃度提高,相對于體材料高一個數(shù)量級而且未電離的Mg受主減少,空穴受到雜質(zhì)的散射作用減小,使得更多空穴注入到有源區(qū),在多量子阱中與電子發(fā)生輻射復(fù)合,從而使器件具有較好的發(fā)光效率。

圖5 LED樣品的I-V特性曲線

圖6 輸出功率LOP和外量子效率隨電流變化曲線

4 結(jié)束語

本文研究了在藍(lán)寶石襯底上生長AlGaN基LED的發(fā)光特性和電學(xué)特性,研究發(fā)現(xiàn),用AlGaN/GaN做AlGaN基紫外LED的p型層,器件具有較低的工作電壓和良好的發(fā)光效率,可以滿足應(yīng)用中對光功率的要求。這是因超晶格的極化效應(yīng)降低了Mg受主的電離能,提高了空穴濃度,并且因為橫向電阻和縱向電阻的不同,大幅提高了電流擴(kuò)展能力,從而增加了空穴的注入到多量子阱的效率,增加了器件的發(fā)光功率,并降低了LED工作電壓。實驗表明,使用p-AlGaN/GaN 超晶格做為LED的p型層,是獲取低電壓、高效率紫外LED的有效方法。

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350 nm AlGaN-based Ultraviolet Light-Emitting-Diode Using p-AlGaN/GaN Superlattice

WANG Dandan1,DING Juan1,HAN Mengxu1,MENG Xijun2

(1.State Key Laboratory of Wide Bandgap Semiconductor Technology,Xidian University,Xi’an 710071,China;2.Zoomview Optoelectronic Co.Ltd.,Xi’an 710071,China)

By using p-AlGaN/GaN SPSLs as the p-layer of LED,the peak wavelength of 350 nm AlGaN based UVLED is grown on the sapphire substrate.The AlGaN/GaN superlattice polarization reduces the Mg acceptor ionization,thus greatly improving the LED devices optical and electrical properties.The devices exhibit an output power of 22.66 mW at the current of 350 mA,corresponding to a low forward voltage of only 3.75 V.It means that the optical power of such LEDs is high enough to be used in practical applications.

AlGaN based UV LED;AlGaN/GaN superlattices;I-Vcharacteristic

2014- 08- 13

王丹丹(1990—),女,碩士研究生。研究方向:寬帶GaN基紫外LED工藝優(yōu)化。E-mail:942016799@qq.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.03.036

TN23

A

1007-7820(2015)03-136-03