量子壘結構對Si襯底GaN基綠光LED光電性能的影響

湯英文， 熊傳兵， 井曉玉

(1. 閩南師范大學 物理與信息工程學院, 福建 漳州 363000； 2. 南昌大學 國家硅基LED工程技術研究中心， 江西 南昌 330047)

?

量子壘結構對Si襯底GaN基綠光LED光電性能的影響

湯英文1*， 熊傳兵1， 井曉玉2

(1. 閩南師范大學 物理與信息工程學院, 福建 漳州 363000； 2. 南昌大學 國家硅基LED工程技術研究中心， 江西 南昌 330047)

在Si襯底上外延生長了3種不同量子壘結構的綠光外延片并制作成垂直結構芯片，3種量子壘結構分別為GaN、In0.05Ga0.95N/Al0.1Ga0.9N/In0.05Ga0.95N、In0.05Ga0.95N/GaN/In0.05Ga0.95N，對應的3種芯片樣品為A、B、C，研究了3種樣品的變溫電致發(fā)光特性。壘結構的改變雖然對光功率影響很小，但是在光譜性能上會引起顯著改變，結果如下:在低溫(13 K)大電流下，隨著電流密度的增大，樣品的EL譜峰值波長藍移更為顯著，程度依次為B>A≈C；在高溫(300 K)小電流下，隨著電流密度的增大，樣品EL譜的峰值波長藍移程度的大小依次為A>B>C。在同一電流下，隨著溫度的升高，樣品在大部分電流下的EL譜峰值波長出現(xiàn)“S”型波長漂移，在極端電流下又表現(xiàn)出不同的漂移情況。這些現(xiàn)象與局域態(tài)、應力、壓電場、禁帶寬度等因素有關。

壘結構； 綠光LED； 電致發(fā)光； 硅襯底； MOCVD

1 引 言

近年來，GaN基半導體器件尤其是InGaN/GaN LED在晶體生長、器件制備等方面取得多項重大技術突破[1-4]，已廣泛用于各種顯示、背光和家用照明等領域。硅襯底具有價格便宜、易獲得大尺寸等優(yōu)勢，有利于降低半導體照明的成本；但是Si和GaN有很大的晶格失配(17%)和巨大的熱失配(56%)，比藍寶石與GaN的晶格失配(13%～16%)以及SiC與GaN的晶格失配(3.5%)更為嚴重。Si上GaN薄膜受到的張應力和藍寶石上GaN所受應力完全相反，所以硅上GaN基外延及器件的制備難度大而充滿了挑戰(zhàn)[5-6]。采用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)方法，用InGaN/GaN多量子阱結構作為有源層的GaN基藍、綠光LED已經(jīng)實現(xiàn)了商品化生產(chǎn)。在過去的十幾年里，藍光器件的發(fā)光效率得到了很大的提高，但綠光器件進展緩慢，而綠光是白光照明、顯示不可或缺的部分。InGaN綠光LED的低效與其量子阱In組分過高是分不開的。近年來的研究表明，隨著In組分的升高，InGaN材料許多性質也將發(fā)生變化，例如材料質量變差和應力發(fā)生變化。在量子阱中，InGaN與 GaN之間大的晶格失配在器件的有源層產(chǎn)生明顯的雙軸應力，尤其是 InGaN/GaN,InGaN/AlGaN 異質結構，壘層應力的大小直接影響LED芯片的各方面的性能。

關于改變藍寶石GaN基LED量子阱結構與組分對其光電性能影響的報道非常之多[7-9]，硅襯底上GaN所受應力與藍寶石上GaN所受應力不一樣，增加了硅襯底GaN基LED量子阱所受應力的復雜性。本文是在Si襯底上外延生長3種不同壘結構的GaN基綠光多量子阱LED外延薄膜，而其他外延結構完全相同。對3種LED芯片變溫變電流的電致發(fā)光的特性進行了研究，并以HRXRD等測試分析作為輔助，對實驗結果進行了解釋。

2 實 驗

實驗中的GaN綠光多量子阱LED薄膜是采用英國Thomas Swan 公司的MOCVD生長系統(tǒng)在硅(111)襯底(2 in)上外延生長的，其芯片尺寸為 1 200 μm×1 200 μm ,生長方法見文獻[10]。樣品A、B、C的量子阱都包含2 nm的GaN蓋層，其量子壘具體結構分別為：9 nm的GaN，3 nm In0.05-Ga0.95N/3 nm Al0.1Ga0.9N/3 nm In0.05Ga0.95N，3 nm In0.05Ga0.95N/3 nm GaN/3 nm In0.05Ga0.95N，如圖1所示。

圖1 樣品A(a)、B(b)、C(c)的綠光量子阱的壘結構。

Fig.1 Quantum barrier structures of sample A(a), B(b), C(c), respectively.

采用HRXRD分別對3種結構外延片的晶格常數(shù)、倒易空間等進行測試，得到晶格失配關系即應力關系，晶格失配的大小為樣品A>樣品B>樣品C。對所制作的芯片進行了變溫電致發(fā)光測試，溫度范圍為13～320 K,電流范圍為0.01～400 mA。HRXRD測試所用的主要測試儀器為英國Bede公司生產(chǎn)的 Bede D1 System衍射儀，衍射儀的靶材料為Cu靶 ，X射線波長為 0.154 056 nm，X射線管工作電壓為 40 kV，電流為40 mA。測試環(huán)境為室溫。變溫電致發(fā)光測試所用儀器有電源 KEITHLEY 2635、光 譜 儀Compact Array Spectrometer (CAS) 140 CT和變溫裝置(氦氣低溫制冷裝置)。

3 結果與討論

3.1 變電流電致發(fā)光光譜對比分析

圖2為3種樣品分別在13 K和300 K時的變電流的電致發(fā)光光譜。從圖2(a)可以看出，在環(huán)境溫度為13 K時，大電流下隨著電流密度的增加，樣品A、B、C的發(fā)光波長出現(xiàn)了不同程度的藍移，藍移量的大小為:樣品B>樣品A≈樣品C。從圖2(b)可以看出，在環(huán)境溫度為300 K時，樣品藍移量的大小也不同，小電流下的大小關系為樣品A>樣品B>樣品C，而大電流下基本相同。

測試用的芯片來自相對應的外延片，除了上述提到的綠光量子阱的壘結構不同，其余結構完全相同，并且從外延片到芯片也采用了相同的流程和處理工藝。低溫(13 K)下的載流子動能小，擴散能力差，主要依靠勢能輸運。由圖1的綠光量子壘結構可知樣品A、B、C的能帶結構，如圖3(a)～(c)所示。從圖3中可以看到，能帶的勢壘大小順序為樣品B>樣品A>樣品C，所以載流子限制效果的關系為樣品B>樣品A>樣品C。樣品B載流子的限制效果最強，在大電流密度下，載流子在量子阱中堆積得最高，即載流子的勢能最高，所以藍移最嚴重[11-12]。

圖2 環(huán)境溫度為13 K(a)和300 K(b)時的變電流的電致發(fā)光光譜

Fig.2 Electroluminescence specta with variational forward current densities at 13 K(a) and 300 K(b)

高溫(300 K)下的載流子主要靠擴散輸運，壓電場屏蔽占主導地位。根據(jù)HRXRD測試倒易空間圖的弛豫度分析得到，量子阱中的應力大小為樣品A>樣品B>樣品C[13]。所以由壓電場屏蔽效果導致的波長漂移的大小為樣品A>樣品B>樣品C[14]，與實驗結果一致。

圖3 樣品A(a)、B(b)、C(c) 的能帶結構圖。

Fig.3 Energy band structures of sample A(a), B(b), C(c), respectively.

3.2 變溫電致發(fā)光光譜對比分析

圖4(a)是樣品B在100 mA的正向電流下的變溫電致發(fā)光光譜。在13～320 K的環(huán)境溫度范圍內，樣品B的峰值波長呈現(xiàn)S型，簡化為圖4(b)。其中①代表極低溫度下出現(xiàn)的波長變長的紅移現(xiàn)象，②代表隨著溫度升高出現(xiàn)波長變短的藍移現(xiàn)象，③代表隨著溫度進一步升高再次出現(xiàn)波長變長的紅移現(xiàn)象。

圖4 (a)樣品B在100 mA的正向電流下的變溫電致發(fā)光光譜；(b)典型的波長隨溫度的漂移曲線。

Fig.4 (a) Electroluminescence spectrum of sample B with variational ambient temperature at 100 mA forward current. (b) Typical electroluminescence peak wavelength curve with varying ambient temperature.

經(jīng)整理發(fā)現(xiàn)，在0.1～400 mA之間的電流作用下，3種樣品的峰值波長隨溫度的變化都是典型的波長隨溫度的漂移曲線，即“S”型波長漂移曲線，如圖4所示。出現(xiàn)S型波長漂移曲線的主要原因是：在極低溫度下，載流子未進入最低能態(tài)就被凍結，升溫后載流子擴散進入局域態(tài)，所以光譜發(fā)生紅移；在中間溫度范圍內，溫度的升高會使載流子獲得更高能量，當這些能量足夠使載流子脫離局域態(tài)時，載流子就會進入更高能級，所以此時光譜發(fā)生藍移；溫度進一步升高會使禁帶寬度減小，此時因溫度升高導致的禁帶寬度的變化占主導作用，所以峰值波長又發(fā)生紅移[15-17]。

3.3 極端電流下變溫電致發(fā)光對比分析

圖5為3個樣品在0.3 mA和400 mA下的變溫電致發(fā)光光譜的對比。分析發(fā)現(xiàn)，樣品在0.3 mA和400 mA下的變溫電致發(fā)光光譜有一定差異。如圖5(a)所示，樣品A在0.3 mA的小電流下有圖4(b)中所示較低溫度范圍內的紅移現(xiàn)象，即箭頭①所示；而在400 mA的大電流下卻無①所示現(xiàn)象。其原因是大電流下的局域態(tài)發(fā)光所占比例很小，故無①所示的紅移現(xiàn)象。在0.3 mA和400 mA的電流下，光譜中均有圖4(b)中②所示的藍移現(xiàn)象，但大電流下更明顯，即藍移量更大。在0.3 mA的小電流下，光譜中無圖4(b)中③所示的光譜紅移。其原因是應力會隨著溫度升高而減小，造成波長藍移，與溫度升高導致禁帶寬度減小造成的③所示的紅移抵消。在400 mA的大電流下，光譜中有③所示的紅移現(xiàn)象，是因大電流本身能屏蔽壓電場，使能帶更平，升溫造成的禁帶寬度減小能夠體現(xiàn)出來，進而造成峰值波長再次發(fā)生紅移。與樣品A不同的是，樣品B在400 mA的大電流下有圖4(b)中①所示的紅移現(xiàn)象，如圖5(b)所示。這可能是因為樣品B勢壘過高，低溫下載流子輸運受阻，堆積嚴重，升溫后載流子堆積減輕，進而引起光譜發(fā)生紅移。在0.3 mA的小電流下，光譜中無①出現(xiàn)，說明樣品B的局域態(tài)和樣品A相比較少。在0.3 mA和400 mA的電流下，光譜中均有圖4(b)中②所示的藍移，但大電流下更明顯，即藍移量更大，此現(xiàn)象與樣品A相同。在0.3 mA的小電流下，光譜中有圖4(b)中的③所示的光譜紅移現(xiàn)象，而樣品A無③現(xiàn)象，說明樣品B阱中應力比樣品A小，這個結論與HRXRD測試結果相吻合。如圖5(c)所示，樣品C在0.3 mA和400 mA時的變溫發(fā)光光譜的變化趨勢與樣品A相同，差異較大之處是在400 mA時，樣品A具有的圖4中②所示的藍移量大于樣品C。原因是樣品A載流子限制效果較C強，在大電流密度下，樣品A載流子在量子阱中堆積更高，載流子勢能更高，故藍移最嚴重。

圖5 樣品A(a)、B(b)、C(c)在0.3 mA和400 mA下的變溫電致發(fā)光峰值波長的變化曲線對比。

Fig.5 Electroluminescence peak wavelength curves with varying ambient temperature at forward current of 0.3 mA and 400 mA of sample A(a), B(b), C(c), respectively.

4 結 論

在Si襯底上外延生長GaN基綠光LED外延薄膜。在其他外延結構、量子阱周期數(shù)完全相同的情況下，單一變換綠光量子壘結構，制作成垂直結構的LED芯片，并對其做了變溫電致發(fā)光特性研究。結果表明:壘結構的不同造成能帶結構引起的載流子限制效果和應力大小不同，使得它們的同溫度變電流發(fā)光光譜和同電流變溫發(fā)光光譜都有一定的差異。變組分壘結構的綠光LED量子阱的應力以及隨電流變化的波長漂移，特別是在大電流情況下，都要小于單組分壘結構的綠光LED量子阱。組分變化導致的勢壘變化越平緩的壘結構，其量子阱的應力以及波長漂移也越小。這也是半導體照明及顯示對LED芯片的光電性能的基本要求。

[1] CRAWFORD M H. LEDs for solid-state lighting: performance challenges and recent advances [J].IEEEJ.Sel.Top.Quant.Electron., 2009, 15(4):1028-1040.

[2] NAKAMURA S, MUKAI T, SENOH M. Candela-class high-brightness InGaN/AlGaN double-heterostructure blue-light-emitting diodes [J].Appl.Phys.Lett., 1994, 64(13):1687-1689.

[3] NAKAMURA S, SENOH M, NAGAHAMA S I,etal.. InGaN multi-quantum-well structure laser diodes grown on MgAl2O4substrates [J].Appl.Phys.Lett., 1996, 68(15):2105-2107.

[4] TANG H, HAFFOUZ S, BARDWELL J A. Si(111) substrates as highly effective pseudomasks for selective growth of GaN material and devices by ammonia-molecular-beam epitaxy [J].Appl.Phys.Lett., 2006, 88(17):172110-1-3.

[5] DEBNATH R K, MEIJERS R, RICHTER T,etal.. Mechanism of molecular beam epitaxy growth of GaN nanowires on Si (111) [J].Appl.Phys.Lett., 2007, 90(12):123117-1-3.

[6] KROST A, DADGAR A. GaN-based optoelectronics on silicon substrates [J].Mater.Sci.Eng.: B, 2002, 93(1-3):77-84.

[7] 王小麗,王文新,江洋,等. 具有超晶格應力調制結構的綠光InGaN/GaN多量子阱的發(fā)光特性 [J]. 發(fā)光學報, 2011, 32(11):1152-1158. WANG X L, WANG W X, JIAN G Y,etal.. Luminescent performances of green InGaN/GaN MQW LED employing superlattices strain adjusting structures [J].Chin.J.Lumin., 2011, 32(11):1152-1158. (in Chinese)

[8] CHO Y H, SONG J J, KELLER S,etal.. Influence of Si doping on characteristics of InGaN/GaN multiple quantum wells [J].Appl.Phys.Lett., 1998, 73(8):1128-1130.

[9] GRUDOWSKI P A, EITING C J, PARK J,etal.. Properties of InGaN quantum-well heterostructures grown on sapphire by metalorganic chemical vapor deposition [J].Appl.Phys.Lett., 1997, 71(11):1537-1539.

[10] MO C L, FANG W Q, PU Y,etal.. Growth and characterization of InGaN blue LED structure on Si (111) by MOCVD [J].J.Cryst.Growth, 2005, 285(3):312-317.

[11] WANG T, SAEKI H, BAI J,etal.. Effect of silicon doping on the optical and transport properties of InGaN/GaN multiple-quantum-well structures [J].Appl.Phys.Lett., 2000, 76(13):1737-1739.

[12] WANG T, BAI J, SAKAI S. Influence of InGaN/GaN quantum-well structure on the performance of light-emitting diodes and laser diodes grown on sapphire substrates [J].J.Cryst.Growth, 2001, 224(1-2):5-10.

[13] 邢艷輝,鄧軍,韓軍,等. 引入n型InGaN/GaN超晶格層提高量子阱特性研究 [J]. 物理學報, 2009, 58(1): 590-595. XING Y H, DENG J, HAN J,etal.. Improving the quantum well properties with n-type InGaN/GaN superlattices layer [J].ActaPhys.Sinica, 2009, 58(1):590-595. (in Chinese)

[14] 李弋,劉斌,謝自力,等. 高分辨率X射線衍射研究InGaN/GaN多量子阱結構In組分及厚度 [J]. 功能材料, 2008, 39(8):1259-1260. LI Y, LIU B, XIE Z L,etal.. High-resolution X-ray diffraction studies on the indium content and layer thickness in InGaN/GaN multiquantum wells [J].J.Funct.Mater., 2008, 39(8):1259-1260. (in Chinese)

[15] ELISEEV P G, PERLIN P, LEE J,etal.. “Blue” temperature-induced shift and band-tail emission in InGaN-based light sources [J].Appl.Phys.Lett., 1997, 71(5):569-571.

[16] LI Q, XU S J, CHENG W C,etal.. Thermal redistribution of localized excitons and its effect on the luminescence band in InGaN ternary alloys [J].Appl.Phys.Lett., 2001, 79(12):1810-1812.

Effect of Quantum Barrier Structures on Photoelectric Properties of GaN-based Green LED on Si Substrates

TANG Ying-wen1*, XIONG Chuan-bing1, JING Xiao-yu2

(1.CollegeofPhysicsandInformationEngineering,MinnanNormalUniversity,Zhangzhou363000,China;2.NationalEngineeringTechnologyResearchCenterforLEDonSiSubstrate,NanchangUniversity,Nanchang330047,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:t-y-w2002@sohu.com

Three different quantum barrier structures of GaN-based green LED were grown on Si(111) substrates, and then high power vertical structure LED chips were fabricated. The three kinds of quantum barrier structures were GaN, In0.05Ga0.95N/Al0.1Ga0.9N/In0.05Ga0.95N, In0.05Ga0.95N/GaN/In0.05Ga0.95N, and the corresponding three chip samples were A, B, C. The electroluminescence properties of these three kinds of chips with the same expitaxial structure except the quantum barrier structure were investigated at different forward current densities and ambient temperatures. Although the influence on luminous power is very small with the change of the quantum barrier structures, the change of the spectral properties is significant. Under 13 K, the EL peak wavelength blue shifts when the driving current increases from 0.01 to 400 mA, it is B>A≈C in sequence. While under 300 K, the difference in EL peak wavelength blue shift is A>B>C. At the same forward current densities, when the temperature increases from 13 to 320 K, the EL peak wavelengths of the three kinds of chips are S-shaped at most current, but are different shapes under extreme current. Perhaps, it is due to the fact that the differences in localized states, stress, piezoelectric filed and energy among these three kinds of quantum barrier structures lead to the different EL properties.

quantum barrier structure; green LED; electroluminescence; Si substrate; MOCVD

湯英文(1969-)，男，湖南懷化人，博士，教授，2006年于中國科學院上海技術物理研究所獲得博士學位，主要從事GaN基寬禁帶半導體光電器件的研究。

E-mail： t-y-w2002@sohu.com

2015-11-29；

2015-12-21

國家科技部支撐計劃(2011BAB32B01)資助項目

1000-7032(2016)03-0327-05

TN383+.1; TB339

A

10.3788/fgxb20163703.0327