量子阱層和壘層具有不同Al組分的270/290/330 nm AlGaN基深紫外LED光電性能

王福學(xué)， 葉煊超

(1. 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與交通學(xué)院， 江蘇 無錫 214121; 2. 江南大學(xué) 理學(xué)院， 江蘇 無錫 214122)

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量子阱層和壘層具有不同Al組分的
270/290/330 nm AlGaN基深紫外LED光電性能

王福學(xué)1*， 葉煊超2

(1. 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與交通學(xué)院， 江蘇 無錫 214121; 2. 江南大學(xué) 理學(xué)院， 江蘇 無錫 214122)

為了研究AlGaN量子阱層和壘層中Al組分不同對AlGaN基深紫外發(fā)光二極管(LED)光電性能的影響，本文利用MOCVD生長、光刻和干法刻蝕工藝制備了AlGaN量子阱層和壘層具有不同Al組分的270/290/330 nm深紫外LED，通過實驗和數(shù)值模擬計算方法發(fā)現(xiàn)，量子阱層和壘層中具有低Al組分紫外LED的AlGaN材料具有較低的位錯密度、較高的光輸出功率和外量子效率。通過電流-電壓(I-V)曲線擬合出的較大的理想因子(>3.5)和能帶結(jié)構(gòu)圖表明，AlGaN深紫外LED的電流產(chǎn)生是隧穿機制占據(jù)主導(dǎo)作用，這是因為高Al組分AlGaN量子阱中強極化場造成了有源層區(qū)域較大的能帶彎曲和電勢降。

AlGaN； 深紫外； 發(fā)光二極管； 數(shù)值模擬

1 引 言

基于高Al組分的AlGaN基深紫外發(fā)光二極管 (UV LED)在空氣和水的凈化、表面消毒、紫外線固化、醫(yī)學(xué)光療等方面有廣泛的應(yīng)用。雖然深紫外LED的光輸出功率已經(jīng)被大大提高[1-3]，但是AlxGa1-xN基深紫外LED仍然存在外量子效率和發(fā)光功率低的瓶頸問題[4]。現(xiàn)有報道表明，發(fā)光波段在200～350 nm的深紫外LED的外量子效率通常都低于10%，相比于InxGa1-xN基的近紫外和可見光LED的外量子效率低一個數(shù)量級。導(dǎo)致AlGaN深紫外LED外量子效率過低的因素有很多。首先，高Al組分AlxGa1-xN材料和藍(lán)寶石襯底之間具有較大的晶格失配和熱失配，造成AlxGa1-xN在藍(lán)寶石襯底上外延生長時會產(chǎn)生大的位錯密度，形成嚴(yán)重的非輻射復(fù)合中心[5]；其次，Ⅲ族氮化物的有源層異質(zhì)結(jié)界面處誘發(fā)的自發(fā)和壓電極化電荷使得量子阱能帶發(fā)生傾斜，減弱了電子和空穴波函數(shù)的交疊，從而進(jìn)一步降低了輻射復(fù)合速率[6-7]。此外，深紫外LED中空穴和電子注入不平衡而引起的電子溢漏被認(rèn)為是內(nèi)量子效率較低的重要因素[8]。目前研究者們采取多種方法來解決這些難題，例如，應(yīng)用能帶調(diào)控工程設(shè)計不同的能帶結(jié)構(gòu)[9-11]，采用低位錯密度的襯底材料并結(jié)合襯底減薄、封裝、反射電極等技術(shù)[12-15]。但是，對于這些方法，通常很難分清每一個技術(shù)突破分別對內(nèi)量子效率和外量子效率提高所做出的貢獻(xiàn)，相關(guān)的物理機制也沒有被研究清楚。

為了探究AlGaN多量子阱中Al組分變化對AlGaN基深紫外LED光電性能的影響，我們制備了3種波長的深紫外LED。在保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，通過調(diào)節(jié)AlGaN量子阱層和壘層中的Al組分使得它們的發(fā)光波長分別為270，290，330 nm。深入研究了Al組分變化對于深紫外LED的電致發(fā)光(EL)、外量子效率和電學(xué)性能的影響機理，并利用二維數(shù)值仿真計算對影響深紫外LED光電性能的內(nèi)在物理機制進(jìn)行了分析和解釋。

2 實 驗

圖1是AlGaN基深紫外LED的結(jié)構(gòu)示意圖。LED外延片是通過金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)在藍(lán)寶石襯底上生長制作。三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)、硅烷、Cp2-Mg和氨氣作為反應(yīng)氣體，H2為載氣。在藍(lán)寶石襯底上先生長薄層的AlN模板，然后生長AlN/AlGaN超晶格緩沖層，接著是2 μm厚的Si摻雜的n型AlGaN和AlGaN多量子阱有源層。有源層由5個周期的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱層和壘層構(gòu)成，AlxGa1-xN阱層和AlyGa1-yN壘層的單層厚度分別為3 nm和12 nm。AlN和AlGaN層的生長溫度大約在1 100～1 200 ℃、反應(yīng)壓強為7 000 Pa、NH3流量為1 000 mL/min。對于AlxGa1-xN量子阱層，3種LED的TMAl流量都保持在160 mL/min；而對應(yīng)270，290，330 nm的LED，TMGa流量分別為50，58，72 mL/min。生長AlyGa1-yN壘層時，3種LED的TMAl流量均保持為200 mL/min；而TMGa流量則分別為47，53，68 mL/min。最后，在量子阱有源層上生長p-AlGaN電子阻擋層(厚度為50 nm)和p-GaN接觸層(厚度為100 nm)。對于270/290/330 nm 3種深紫外LED，量子阱層的Al組分分別為x=0.6，0.5，0.15，壘層組分分別為y=0.7，0.6，0.25。n-AlGaN和p-AlGaN的Al組分相同，分別為0.75，0.65，0.3。

LED芯片通過傳統(tǒng)的光刻和干法刻蝕工藝制備：芯片尺寸為300 μm×300 μm，利用光刻和干法刻蝕工藝將n-AlGaN暴露出來，在950 ℃退火Ti/Al/Ti/Au(15/80/15/60 nm)形成n型歐姆接觸，半透明電流擴展層Ni/Au(8/15 nm)金屬沉積在p-GaN上。采用電致發(fā)光(EL)譜、探針臺和Keithley源表表征LED的光電性能。

圖1 AlGaN深紫外LED的結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)果與討論

圖2為270/290/330 nm深紫外LED在不同注入電流下的EL譜。當(dāng)注入電流為20 mA時，能清晰地看到270 nm波段的LED半峰寬大約為16 nm，相比290 nm和330 nm波段的LED半峰寬大4 nm左右。此外，在270 nm 波段LED 的EL光譜圖中可以看到一個主峰和一個在主峰右側(cè)的強度較弱的帶尾峰，但是在290 nm 和330 nm 波段的LED中只存在一個發(fā)光峰。這是由于在生長高Al組分的AlGaN時易產(chǎn)生相分凝現(xiàn)象，導(dǎo)致量子阱中的合金組分或阱層厚度發(fā)生變化，進(jìn)而形成電勢波動。水平相分凝的產(chǎn)生主要是由于Al和Ga吸附原子的生長不均勻以及遷移率不同導(dǎo)致的。因此在生長AlGaN層時會出現(xiàn)島型、金字塔型以及V型溝道缺陷[16]。另一方面，在較低的電流注入下，隨著電流的增加，波長較短的EL峰會出現(xiàn)顯著藍(lán)移現(xiàn)象。這是由于高Al組分量子阱中局域態(tài)的帶隙填充和壓電極化場的屏蔽效應(yīng)引起的。從圖中還可以觀察到3個LED的EL發(fā)光峰隨著電流的增加會出現(xiàn)紅移現(xiàn)象，表明在連續(xù)電流注入模式下，LED產(chǎn)生了強烈的自加熱作用[17]。

圖2 270 nm (a)、290 nm (b)和330 nm (c)深紫外LED在不同注入電流下的電致發(fā)光(EL)譜。

Fig.2 EL spectra as a function of injection current for 270 nm (a), 290 nm (b), and 330 nm (c) UV LEDs.

圖3(a) 和(b)分別為270/290/330 nm LED 的電流-光功率輸出(I-L)曲線和歸一化外量子效率特性。I-L曲線在較低的電流下呈現(xiàn)線性增長但隨著電流的持續(xù)增加轉(zhuǎn)化為亞線性增加，在高于70 mA電流下反而出現(xiàn)下降的趨勢。這是由于自加熱作用而導(dǎo)致的外量子效率降低。從圖3可以明顯看出，3個LED的光輸出功率和外量子效率隨著量子阱層和壘層的Al組分減少而增加。這是由于在藍(lán)寶石襯底上生長較高Al組分的AlxGa1-xN薄膜時，會形成較大的位錯密度從而形成大量的非輻射復(fù)合中心[18]。需要注意的是330 nm LED的最大外量子效率要明顯高于270 nm和290 nm的LED。AlGaN基深紫外LED的光提取率受p-GaN吸收以及光的偏振特性影響，由于本文所生長的LED的p-GaN厚度一致，所以其光提取率主要受光偏振的影響。對于AlGaN基深紫外LED，隨著Al組分的增加或者波長的降低，偏振光由TE波轉(zhuǎn)換為TM波。由于TM波的光提取率要比TE波低得多，從而導(dǎo)致光提取率在短波處更低[19]。在330 nm波段的LED中，外量子效率達(dá)到最大值處的電流比270 nm和290 nm波段LED的電流要高。在達(dá)到最大值后，外量子效率隨著注入電流的增加開始降低。這是由于在強極化場作用下，AlGaN量子阱發(fā)生能帶彎曲而導(dǎo)致載流子在有源層的傳輸過程中發(fā)生溢漏現(xiàn)象。

圖3 270/290/330 nm LED在不同注入電流下的光功率(a)和歸一化的外量子效率(b)曲線

Fig.3 Current-dependent output power (a) and normalized EQE (b) of the three deep UV LEDs

圖4為270/290/330 nm LED的電流-電壓(I-V)曲線。在注入電流為5 mA時，3個LED的正向電壓分別為5.3，5，4.5 V，表明LED的電學(xué)特性隨著Al組分的增加而衰退。由于在高組分Al的AlxGa1-xN材料中，Al的激活能較高，從而導(dǎo)致空穴濃度較低，產(chǎn)生大的電阻率[20]。可以看出330 nm波段的LED在2～6 V的正向電壓下，與其他兩個LED相比呈現(xiàn)出明顯不同的I-V特性。對于270 nm和290 nm的LED而言，有兩個明顯的指數(shù)增長區(qū)域，見圖4插圖部分；但是對于330 nm的LED，在相同的電壓范圍卻只存在一個指數(shù)增長區(qū)域。在一般注入電壓下LED的理想因子n可以用下式表示：

(1)

其中RP是并聯(lián)電阻，RS是串聯(lián)電阻，IS是飽和電流，k是波爾茲曼常量，T為絕對溫度[21]。對于AlGaN基深紫外LED，RP大約為1011，遠(yuǎn)大于RS，從而上式中的V/RP和RS/RP可以忽略，式(1)可以簡化為：

圖4 270/290/330 nm 3種深紫外LED的I-V特性曲線，插圖是相對應(yīng)的正向I-V曲線。

Fig.4I-Vcurves of the three deep UV LEDs at room temperature. Inset: corresponding forwardI-Vcurves.

(2)

在區(qū)域Ⅰ， 270/290/330 nm LED的理想因子分別為8.01，7.8，5；在區(qū)域Ⅱ，270 nm和290 nm LED的理想因子分別為4.05和3.92。所有的理想因子均大于2，如此大的理想因子不能用肖克萊擴散和復(fù)合模型來解釋，而是由于在適中的正向電壓下，3個LED均存在較大的電流隧穿過程。同時理想因子隨著AlGaN量子阱中Al組分的降低而降低，這是由于較高Al組分的AlxGa1-xN材料會產(chǎn)生較高的位錯密度[22]。

為了進(jìn)一步研究深紫外LED的光電特性和隧穿電流的物理機制，我們采用Silvaco Atlas 軟件計算出3種LED的能帶圖，如圖5所示。在計算中，AlGaN/AlGaN和AlGaN/GaN的帶偏比例設(shè)為0.5/0.5[23]，采用非完全電離模型計算離化電子和空穴濃度，電子和空穴的離化能分別為80 meV和300 meV。在求解泊松方程和載流子連續(xù)性方程時采用了載流子濃度和電場依賴的遷移率模型，并考慮了間接復(fù)合模型、表面復(fù)合模型、俄歇復(fù)合模型和光生復(fù)合模型[24]。根據(jù)Fiorentini等[25]的研究結(jié)果, 考慮到缺陷的屏蔽效應(yīng)，由極化效應(yīng)引起的纖鋅礦型AlxGa1-xN材料的極化電荷有50%被缺陷和界面電荷補償?shù)?。另外，文中模擬采用的物理參數(shù)與文獻(xiàn)[26]一致。從圖5可以看出，在4 V正向電壓下，270 nm和290 nm LED能帶從p型到n型呈現(xiàn)較大的電勢降；相反，330 nm LED在相同區(qū)域的電勢降較為平坦。這是由于不同Al組分的AlxGa1-xN材料產(chǎn)生的極化場大小不同而引起能帶的彎曲量不同，較大的能帶彎曲會形成電子和空穴向有源層注入的勢壘，從而導(dǎo)致LED發(fā)光效率和外量子效率的降低。這一模擬結(jié)果可以解釋圖2和圖3的實驗現(xiàn)象。此外，對于270 nm和290 nm LED而言，擴散電流被能帶彎曲形成的勢壘所抑制，總電流主要取決于載流子穿過有源層禁帶通過缺陷能級復(fù)合形成的隧穿電流。

圖5 采用二維數(shù)值仿真計算的270/290/330 nm LED在4 V正向偏壓下的能帶圖

Fig.5 Energy band diagrams for 270, 290, 330 nm UV LEDs at forward voltage of 4 V calculated by 2-D numerical simulations.

4 結(jié) 論

綜上所述，我們研究了AlGaN多量子阱阱層和壘層中Al組分的變化對AlGaN基深紫外LED光電性能的影響。高Al組分的AlGaN多量子阱由于較高的位錯密度使得材料質(zhì)量下降，以及光偏振效應(yīng)的存在降低了LED輸出功率和外量子效率。隨著注入電流的增加，由于連續(xù)注入模式下的自加熱效應(yīng)，發(fā)光峰產(chǎn)生紅移。從深紫外LED的I-V曲線計算得到較大的理想因子，表明電流的產(chǎn)生主要是由隧穿機制主導(dǎo)。通過二維數(shù)值模擬計算的能帶結(jié)構(gòu)圖發(fā)現(xiàn)，AlGaN中Al組分的不同造成LED有源層區(qū)域極化強度和能帶彎曲程度不同，LED中擴散電流被能帶彎曲形成的勢壘所抑制，總電流主要取決于載流子穿過有源層禁帶通過缺陷能級復(fù)合形成的隧穿電流。

[1] SHATALOV M, YANG J W, SUN W H,etal.. Efficiency of light emission in high aluminum content AlGaN quantum wells [J].J.Appl.Phys., 2009, 105(7):073103-1-6.

[2] KHAN A, BALAKRISHNAN K, KATONA T. Ultraviolet light-emitting diodes based on group three nitrides [J].Nat.Photon., 2008, 2(2):77-84.

[3] FISCHER A J, ALLERMAN A A, CRAWFORD M H,etal.. Room-temperature direct current operation of 290 nm light-emitting diodes with milliwatt power levels [J].Appl.Phys.Lett., 2004, 84(17):3394-3396.

[4] SHATALOV M, SUN W H, LUNEV A,etal.. AlGaN deep-ultraviolet light-emitting diodes with external quantum efficiency above 10% [J].Appl.Phys.Express, 2012, 5(8):082101-1-3.

[5] HIRAYAMA H, YATABE T, NOGUCHI N,etal.. 231-261 nm AlGaN deep-ultraviolet light-emitting diodes fabricated on AlN multilayer buffers grown by ammonia pulse-flow method on sapphire [J].Appl.Phys.Lett., 2007, 91(7):071901-1-3.

[6] HUANG M F, LU T H. Optimization of the active-layer structure for the deep-UV AlGaN light-emitting diodes [J].IEEEJ.Quant.Electron., 2006, 42(8):820-826.

[7] 李楊, 馮列峰, 李丁, 等. 半導(dǎo)體GaN基藍(lán)光發(fā)光二極管的精確電學(xué)特性 [J]. 光電子·激光, 2013, 24(4):663-668. LI Y, FENG L F, LI D,etal.. Accurate electrical properties of semiconductor GaN blue light emitting diodes at large forward bias voltage [J].J.Optoelectron.·Laser, 2013, 24(4):663-668. (in Chinese)

[8] KIM K H, FAN Z Y, KHIZAR M,etal.. AlGaN-based ultraviolet light-emitting diodes grown on AlN epilayers [J].Appl.Phys.Lett., 2004, 85(20):4777-4779.

[9] SCHUBERT M F, XU J R, KIM J K,etal.. Polarization-matched GaInN/AlGaInN multi-quantum-well light-emitting diodes with reduced efficiency droop [J].Appl.Phys.Lett., 2008, 93(4):041102-1-3.

[10] ZHANG J C, ZHU Y H, EGAWA T,etal.. Suppression of the subband parasitic peak by 1 nm i-AlN interlayer in AlGaN deep ultraviolet light-emitting diodes [J].Appl.Phys.Lett., 2008, 93(13):131117-1-3.

[11] GUTT R, PASSOW T, KUNZER M,etal.. AlGaN-based 355 nm UV light-emitting diodes with high power efficiency [J].Appl.Phys.Express, 2012, 5(3):032101-1-3.

[12] 樊晶美, 王良臣, 劉志強. 表面粗化對GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED出光效率的影響 [J]. 光電子·激光, 2009, 20(8):994-996. FAN J M, WANG L C, LIU Z Q. The influence of surface roughening on GaN based vertical-electrodes LEDs [J].J.Optoelectron.·Laser, 2009, 20(8):994-996. (in Chinese)

[13] SUN Q， YAN W， FENG M X，etal.. GaN-on-Si blue/white LEDs: eptaxy, chip, and package [J].J.Semicond., 2016, 37(4):044006.

[14] 吳震, 錢可元, 韓彥軍, 等. 高效率、高可靠性紫外LED封裝技術(shù)研究 [J]. 光電子·激光, 2007, 18(1):1-4. WU Z, QIAN K Y, HAN Y J,etal.. Study on packaging technology of ultraviolet LED with high efficiency and reliability [J].J.Optoelectron.·Laser, 2006, 18(1):1-4. (in Chinese)

[15] 杜帥, 張方輝. 基于液晶襯墊的OLED光萃取 [J]. 光電子·激光, 2016, 27(4):380-385. DU S, ZHANG F H. OLED light extraction based on liquid crystal spacer [J].J.Optoelectron.·Laser, 2016, 27(4):380-385. (in Chinese)

[16] GHERASIMOVA M, CUI G, REN Z,etal.. Heteroepitaxial evolution of AlN on GaN grown by metal-organic chemical vapor deposition [J].J.Appl.Phys., 2004, 95(5):2921-2923.

[17] YANG Y, CAO X A, YAN C H. Investigation of the nonthermal mechanism of efficiency rolloff in InGaN light-emitting diodes [J].IEEETrans.ElectronDev., 2008, 55(7):1771-1775.

[18] CHEN K X, DAI Q, LEE W,etal.. Effect of dislocations on electrical and optical properties ofn-type Al0.34Ga0.66N [J].Appl.Phys.Lett., 2008, 93(19):192108-1-3.

[19] RYU H Y, CHOI I G, CHOI H S,etal.. Investigation of light extraction efficiency in AlGaN deep-ultraviolet light-emitting diodes [J].Appl.Phys.Express, 2013, 6(6):062101-1-4.

[20] LI Y, CHEN S C, TIAN W,etal. Advantages of AlGaN-based 310-nm UV light-emitting diodes with Al content graded AlGaN electron blocking layers [J].IEEEPhoton.J., 2013, 5(4):8200309-1-10.

[21] WITTE H, ROHRBECK A, GüNTHER K M,etal.. Electrical investigations of AlGaN/AlN structures for LEDs on Si (111) [J].Phys.Stat.Sol. (a), 2011, 208(7):1597-1599.

[22] LEE K B, PARBROOK P J, WANG T,etal.. The origin of the high ideality factor in AlGaN-based quantum well ultraviolet light emitting diodes [J].Phys.Stat.Sol. (b), 2010, 247(7):1761-1763.

[23] PIPREK J, LI S. Electron leakage effects on GaN-based light-emitting diodes [J].Opt.Quant.Electron., 2010, 42(2):89-95.

[24] YANG G F, LI G H, GAO S M,etal.. Characteristics of N-face InGaN light-emitting diodes with p-type InGaN/GaN superlattice [J].IEEEPhoton.Technol.Lett., 2013, 25(23):2369-2372.

[25] FIORENTINI V, BERNARDINI F, SALA F D,etal.. Effects of macroscopic polarization in Ⅲ-Ⅴ nitride multiple quantum wells [J].Phys.Rev. B, 1999, 60(12):8849-8858.

[26] VURGAFTMAN I, MEYER J R, RAM-MOHAN L R. Band parameters for Ⅲ-Ⅴ compound semiconductors and their alloys [J].J.Appl.Phys., 2001, 89(11):5815-5875.

王福學(xué)(1976-)，男，山東濟(jì)寧人，博士，2011年獲得博士學(xué)位，主要從事寬禁帶半導(dǎo)體光電材料與器件的研究。

E-mail: wangfuxue2008@163.com

270/290/330 nm AlGaN-based Deep Ultraviolet Light-emitting Diodes with Different Al Content in Quantum Wells and Barriers

WANG Fu-xue1*, YE Xuan-chao2

(1.SchooofAutomobileandTransportation,WuxiInstituteofTechnology,Wuxi214121,China;
2.SchoolofScience,JiangnanUniversity,Wuxi214122,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:wangfuxue2008@163.com

The optical and electrical properties of 270/290/330 nm AlGaN-based deep ultraviolet (UV) light-emitting diodes (LEDs) with different Al content in quantum wells and barriers were investigated systematically. Based on the experimental and numerical study, It is observed that the UV LEDs with longer wavelength and lower Al composition in AlGaN multiple quantum wells (MQWs) possess less dislocation density, higher light output power and internal quantum efficiency. The large ideality factors calculated fromI-Vcurves and simulated energy band profiles indicate that the current in the deep UV LEDs with high Al content is dominated by tunneling mechanism, which is attribute to the resulting potential drop in the active region caused by large polarization field in AlGaN MQWs.

AlGaN; deep ultraviolet; light-emitting diodes (LEDs); numerical simulation

2016-07-18；

2016-09-14

中國博士后科學(xué)基金(2014M561623)； 江蘇省博士后科研資助計劃(1401013B)資助項目 Supported by China Postdoctoral Science Foundation(2014M561623); Jiangsu Planned Projects for Postdoctoral Research Funds(1401013B)

1000-7032(2017)01-0057-06

TN304.23

A

10.3788/fgxb20173801.0057