載流子復(fù)合機(jī)制對(duì)InGaN多量子阱藍(lán)光LED調(diào)制帶寬的影響

楊 杰， 朱邵歆， 閆建昌， 李晉閩， 王軍喜

(1. 中國科學(xué)院大學(xué) 材料科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院， 北京 100049；2. 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 半導(dǎo)體照明研發(fā)中心， 北京 100083； 3. 中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院 集成電路研究所， 北京 100846)

1 引 言

以發(fā)光二極管(LED)作為光源的半導(dǎo)體照明技術(shù)正在不斷改變?nèi)藗兊纳睢ED除了具有節(jié)能環(huán)保和色彩飽和度高等優(yōu)點(diǎn)，還由于是電子器件，所以比傳統(tǒng)光源的開關(guān)速度更快，可以通過信號(hào)調(diào)制實(shí)現(xiàn)可見光波段的無線通信[1-2]。與傳統(tǒng)射頻無線技術(shù)相比，可見光通信技術(shù)可利用帶寬高，具有更高的安全性和私密性，不產(chǎn)生電磁干擾，也無需相應(yīng)頻段的許可授權(quán)，能夠以較低的成本實(shí)現(xiàn)高帶寬高速率的無線通信接入，具有很好的空間復(fù)用性，極大地拓展了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面，是對(duì)現(xiàn)有射頻技術(shù)的很好補(bǔ)充[3]。

實(shí)現(xiàn)高速率、高質(zhì)量可見光通信的關(guān)鍵在于提升LED光源的調(diào)制速度。這就需要從LED的外延結(jié)構(gòu)出發(fā)，深入分析影響LED調(diào)制特性的物理因素。

目前GaN基藍(lán)光LED研究和設(shè)計(jì)的關(guān)注點(diǎn)集中在提升亮度和光效[4-7]。由于黃光熒光粉的響應(yīng)速度很慢，商用熒光粉白光LED的調(diào)制帶寬非常低，通常只有幾MHz，使用濾光片過濾黃光后的藍(lán)光LED調(diào)制帶寬只有十幾MHz[8]。LED的調(diào)制速度與LED的載流子復(fù)合壽命和電容有關(guān)[9-16]。對(duì)于藍(lán)光GaN基LED，常用的多量子阱結(jié)構(gòu)(MQWs)包括GaN量子壘和InGaN量子阱。LED輻射復(fù)合速率、光效、發(fā)光波長(zhǎng)、熱穩(wěn)定性及可靠性等重要指標(biāo)均與MQWs密切相關(guān)[17-19]。本文通過設(shè)計(jì)InGaN多量子阱LED有源區(qū)結(jié)構(gòu)，研究了載流子復(fù)合機(jī)制對(duì)LED調(diào)制速度的影響。

2 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果討論

2.1 調(diào)制帶寬測(cè)試系統(tǒng)

調(diào)制帶寬測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)的核心是網(wǎng)絡(luò)分析儀(Agilent E5061B)。通過偏置器Bias-T(Mini-Circuits ZFBT-4R2GW+)將網(wǎng)絡(luò)分析儀的正弦波信號(hào)加載在直流電源中，然后將其接入待測(cè)試的LED上。LED發(fā)出的光信號(hào)被光電探測(cè)器(Newport818-BB-21A)接收并返回至網(wǎng)絡(luò)分析儀，網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)比分析接收和發(fā)射信號(hào)后可得到頻率響應(yīng)曲線，進(jìn)而得到LED的3-dB調(diào)制帶寬。

圖1 LED調(diào)制帶寬測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1LED modulation bandwidth measurement system set up diagram

2.2 量子阱寬度對(duì)調(diào)制帶寬的影響

通過改變量子阱中InGaN層的生長(zhǎng)時(shí)間來改變量子阱的寬度，得到兩個(gè)量子阱寬度不同的LED A和LED B。

LED A和LED B的生長(zhǎng)條件如下：使用MOCVD系統(tǒng)在c面藍(lán)寶石襯底(2in)上外延生長(zhǎng)，襯底在1015℃下使用氫氣清潔表面，然后在650℃下生長(zhǎng)30nm的GaN buffer層，經(jīng)過高溫退火后先后生長(zhǎng)2.5μm的本征GaN層和3μm的Si摻雜n型GaN層；隨后，生長(zhǎng)9對(duì)GaN/InGaN多量子阱作為有源區(qū)，量子壘的生長(zhǎng)時(shí)間為4min(約10nm)，LED A的量子阱生長(zhǎng)時(shí)間為2.5min(約3.5nm)，LED B為3min(約4nm)；MQWs生長(zhǎng)完畢后繼續(xù)在950℃下生長(zhǎng)12min(約150nm)的p型GaN層。其外延結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 不同量子阱寬度的LED A和B外延結(jié)構(gòu)圖

Fig.2Epitaxial structures of LEDs with different quantum well width. The quantum well growth time of LED A, B is2.5min and3min, respectively.

LED外延片通過傳統(tǒng)的臺(tái)面工藝制成LED芯片，使用銦錫氧化物(ITO)透明導(dǎo)電層作為電流擴(kuò)展層，使用Cr/Pt/Au作為正負(fù)電極材料。劃片后，將裸芯放入具有反射杯的封裝支架中，使用金線引出電極并封裝為0.254mm×0.584mm(10mil×23mil)的LED封裝體。

將LED A和B接入調(diào)制帶寬測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)量頻率響應(yīng)曲線，如圖3(a)和(b)所示。LED A在20，50，80mA下的3-dB帶寬分別為11.3，18.9，23.6MHz，LED B在20，50，80mA下的3-dB帶寬分別為10.5，15.9，20.3MHz。兩者分別相差0.8，3，3.3MHz?？梢钥闯鰧捔孔于錖ED的調(diào)制速度比窄量子阱LED要慢。圖4(b) 是LED A和B的3-dB帶寬隨電流變化曲線對(duì)比，可以看出隨電流增加，LED的3-dB帶寬一直增加，且LED A的帶寬始終大于LED B。

圖3(a) LED A的歸一化頻率響應(yīng)曲線；(b) LED B的歸一化頻率響應(yīng)曲線。

Fig.3(a) Normalized frequency response of LED A at different currents. (b) Normalized frequency response of LED B at different currents.

可以用LED中MQWs的ABCD載流子復(fù)合模型解釋以上現(xiàn)象。MQWs的ABCD模型是對(duì)ABC模型的補(bǔ)充，該模型考慮了氮化物L(fēng)ED中的載流子泄露項(xiàng)[20-21]，并以高次項(xiàng)描述了載流子泄露，其表達(dá)式如下：

R(n)=An+Bn2+Cn3+Dn4，

(1)

其中，R(n)為載流子復(fù)合速率，n是載流子濃度，An為SRH復(fù)合項(xiàng)，Bn2為輻射復(fù)合項(xiàng)，Cn3為俄歇復(fù)合項(xiàng)，Dn4則為載流子泄露項(xiàng)。

圖4(a) LED A 和B的外量子效率隨電流的變化；(b)LED A和B的3-dB帶寬隨電流的變化。

Fig.4(a) Comparison of the normalized EQE of LED A and B at different currents. (b) Comparison of the3-dB bandwidth of LED A and B at different currents.

由于LED的調(diào)制速度與載流子復(fù)合壽命有如下關(guān)系：

(2)

而載流子復(fù)合壽命τ與復(fù)合速率R(n)的關(guān)系如下：

(3)

結(jié)合式(2)可以得到

(4)

LED的3-dB帶寬與LED的復(fù)合機(jī)制關(guān)系密切，與LED復(fù)合過程中各復(fù)合機(jī)制所占的比例相關(guān)。如圖4(b)所示，隨著注入電流的增加，載流子濃度n增加，所以3-dB帶寬增大，并且窄量子阱LED的帶寬要高于寬量子阱LED。在電流較小時(shí)，兩種LED中SRH復(fù)合占了比較大的成分，所以兩者的調(diào)制帶寬差別不大；當(dāng)電流加大時(shí)，由于窄量子阱LED中電子和空穴波函數(shù)的重疊幾率更高，所以其擁有更高的輻射復(fù)合系數(shù)，因而輻射復(fù)合項(xiàng)所貢獻(xiàn)的調(diào)制速率更高；繼續(xù)增大電流，一方面俄歇復(fù)合開始發(fā)揮作用，另一方面由于窄量子阱中可供復(fù)合的量子態(tài)較低，所以電子更容易溢出量子阱而漂移到p型區(qū)形成泄露，使載流子泄露導(dǎo)致的復(fù)合過程成為重要的復(fù)合機(jī)制，導(dǎo)致窄量子阱的復(fù)合速率增加，其調(diào)制帶寬也顯著高于寬量子阱LED B。在相同的注入電流下，具有寬阱的LED B相對(duì)于具有窄阱的LED A來說，具有更大的空間，即有源區(qū)中限制的載流子濃度相對(duì)較低(寬阱LED的droop效應(yīng)不是很嚴(yán)重也證實(shí)了這一論點(diǎn)，如圖4(a)所示)，所以LED B的復(fù)合速率要低于LED A，故根據(jù)公式(4)，其3-dB帶寬也低于LED A。

2.3 量子壘高度對(duì)調(diào)制帶寬的影響

為了研究量子壘高度對(duì)LED調(diào)制速度的影響，本實(shí)驗(yàn)通過將MQWs中GaN量子壘更換為InGaN量子壘，即在生長(zhǎng)GaN量子壘時(shí)往MOCVD反應(yīng)腔中通入少量In源，得到GaN量子壘的LED A和InGaN量子壘的LED B和LED C，LED B和C的量子壘In組分分別為1%和5%。

外延結(jié)構(gòu)與條件與量子阱實(shí)驗(yàn)類似：使用MOCVD系統(tǒng)在c面藍(lán)寶石襯底外延生長(zhǎng)，襯底在1015℃下使用氫氣清潔表面，然后在650℃下生長(zhǎng)30nm的GaN buffer層，經(jīng)過高溫退火后先后生長(zhǎng)2.5μm的本征GaN層和3μm的Si摻雜n型GaN層；隨后，生長(zhǎng)GaN/InGaN多量子阱作為有源區(qū)，量子壘的生長(zhǎng)時(shí)間為4min(約10nm)，量子阱生長(zhǎng)時(shí)間為2.5min(約3.5nm)；MQWs生長(zhǎng)完畢后繼續(xù)在900℃下生長(zhǎng)12min(約150nm)的p型GaN層。LED A、B、C除了生長(zhǎng)量子壘時(shí)的In源流量不同，其余條件一致。3個(gè)LED的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。隨后將LED制成芯片并封裝為0.254mm×0.584mm(10mil×23mil)的LED封裝體。

測(cè)試3個(gè)LED的頻率響應(yīng)，得到如圖6(a)、(b)、(c)所示的頻率響應(yīng)曲線。在20，50，80mA時(shí)，LED A的3-dB帶寬分別為15.3，24.3，30.5MHz，LED B的3-dB帶寬分別為17.3，25.3，32.4MHz，LED C的3-dB帶寬分別為45.4，52.1，57.5MHz。圖6(d)為L(zhǎng)ED A、B和C的3-dB帶寬隨電流變化的對(duì)比圖。其中，LED C的3-dB帶寬最高，LED A的3-dB帶寬最小。

圖5 不同量子壘高度的LED A、B、C外延結(jié)構(gòu)示意圖。

Fig.5Epitaxial structures of LEDs with different quantum barrier height. The In content of quantum barrier in LED A, B, C is0,1%,5%, respectively.

圖6(a)LED A在不同電流下的歸一化頻率響應(yīng)曲線；(b)LED B在不同電流下的歸一化頻率響應(yīng)曲線；(c)LED C在不同電流下的歸一化頻率響應(yīng)曲線；(d)LED A、 B、C的3-dB帶寬隨電流變化的對(duì)比圖。

Fig.6(a) Normalized frequency response of LED A at different currents. (b) Normalized frequency response of LED B at different currents. (c) Normalized frequency response of LED C at different currents. (d) Comparison of the3-dB bandwidth of LED A, B and C at different currents.

由公式(1)所示的ABCD復(fù)合模型可以看出，隨著注入電流的增加，載流子濃度增加，導(dǎo)致LED的復(fù)合速率增加，所以LED的調(diào)制速度隨電流增加而增大。LED B使用InGaN作為量子壘一方面使得量子阱與量子壘之間的壓電極化電場(chǎng)效應(yīng)得到顯著緩解，提高了量子阱中電子與空穴的空間波函數(shù)重疊幾率，提高了輻射復(fù)合速率，如圖7所示，LED B的droop效應(yīng)相對(duì)于LED A有所緩解，這也證實(shí)了上述論點(diǎn)；另一方面由于InGaN量子壘的In組分只有1%，對(duì)勢(shì)壘高度的改變不明顯，所以載流子溢出所導(dǎo)致的電子泄露復(fù)合機(jī)制所占比重與LED A相比相差不大，所以根據(jù)公式(4)，LED B的調(diào)制速度高于LED A。

當(dāng)增加InGaN量子壘中的In組分至5%時(shí)，由于此時(shí)InGaN量子壘的勢(shì)壘較低，所以對(duì)載流子的限制作用顯著降低，即有源區(qū)中載流子濃度大大減小，載流子溢出導(dǎo)致的電子泄露復(fù)合成為重要的復(fù)合機(jī)制；另一方面，由于InGaN量子壘的材料質(zhì)量也較GaN量子壘差很多，所以存在大量的缺陷，這就使得在電流較小時(shí)復(fù)合機(jī)制中與缺陷相關(guān)的SRH復(fù)合的比重提高。也就是說量子阱內(nèi)的輻射復(fù)合機(jī)制一直沒有成為主要的復(fù)合機(jī)制，這就不僅使LED C的EQE曲線沒有明顯的效率峰值，而且外量子效率較低，如圖7所示。綜上，對(duì)于LED C，電流較小時(shí)，由于SRH復(fù)合系數(shù)A的值較高，所以缺陷導(dǎo)致的SRH非輻射復(fù)合所占比重較大，而在電流增大時(shí)，量子壘勢(shì)壘的降低導(dǎo)致的電子泄露加劇，導(dǎo)致LED的復(fù)合機(jī)制主要是缺陷輔助的俄歇復(fù)合和電子泄露復(fù)合，由公式(1)，這兩種復(fù)合機(jī)制與載流子濃度分別呈三次方和四次方關(guān)系，復(fù)合速率非常高，使得LED C的調(diào)制帶寬顯著高于LED A和B。

圖7 LED A、B和C的外量子效率隨電流的變化。

Fig.7Comparison of the EQE of LED A, B and C at different currents.

3 結(jié) 論

本文通過設(shè)計(jì)不同的多量子阱結(jié)構(gòu)研究載流子復(fù)合機(jī)制對(duì)LED調(diào)制帶寬的影響。對(duì)于MQWs中量子阱寬度對(duì)調(diào)制速度的影響，由于窄量子阱LED的電子空穴空間波函數(shù)的重疊幾率更高，且載流子泄露效應(yīng)更顯著，所以其載流子復(fù)合速率更快，調(diào)制速度更高。對(duì)于MQWs中量子壘高度對(duì)調(diào)制速度的影響，使用不同In組分的InGaN作為量子壘，當(dāng)In組分為1%時(shí)，InGaN量子壘提高了輻射復(fù)合速率，所以調(diào)制帶寬高于GaN量子壘LED；當(dāng)In組分為5%時(shí)，電子泄露復(fù)合機(jī)制占據(jù)主要地位，且晶體缺陷導(dǎo)致的SRH復(fù)合和俄歇復(fù)合比重較大，而電子泄露復(fù)合和俄歇復(fù)合的復(fù)合速率都很高，所以LED的調(diào)制速度顯著提高。

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