紫外LED隧穿結(jié)的模擬設(shè)計(jì)

林 偉，吳雅蘋(píng)，李德鵬，盧詩(shī)強(qiáng)

(廈門大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 a.物理系;b.福建省半導(dǎo)體材料及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; c.半導(dǎo)體光電材料及其高效轉(zhuǎn)換器件協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 廈門 361005)

LED以其固有的高效率、長(zhǎng)壽命以及低功耗等優(yōu)點(diǎn)在通用照明領(lǐng)域如指示燈、顯示屏、交通信號(hào)燈等方面得到了廣泛的應(yīng)用，特別是藍(lán)光發(fā)光二極管在通用照明領(lǐng)域的推廣和普及，成就了2014年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[1]. 隨著LED技術(shù)向短波化發(fā)展，工作在紫外乃至深紫外波段AlGaN基LED成為下一個(gè)發(fā)展前沿. 盡管業(yè)界看好紫外LED美好的前景，然而AlGaN材料的p型摻雜困難極大限制器件空穴注入，成為應(yīng)用系統(tǒng)效能的瓶頸所在[2]. 利用AlGaN強(qiáng)極化特性增進(jìn)空穴的隧穿注入，成為實(shí)現(xiàn)AlGaN基LED器件應(yīng)用的可行方案[3]. 為將前沿的紫外LED物理進(jìn)展和知識(shí)普及給理工科院校本科生，基于本校物理開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，本文采用APSYS軟件模擬設(shè)計(jì)漸變Al組分隧穿結(jié)增進(jìn)空穴的注入，這有助于學(xué)生加深對(duì)紫外LED的結(jié)構(gòu)、功能以及工作原理分析與優(yōu)化等方面知識(shí)的了解.

1 紫外LED隧穿結(jié)的設(shè)計(jì)

采用APSYS軟件設(shè)計(jì)非漸變和漸變Al組分隧穿結(jié). Al組分隧穿結(jié)AlGaN基深紫外LED結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1. 構(gòu)建4組漸變Al組分隧穿結(jié)深紫外LED_A～D，并構(gòu)建非漸變隧穿結(jié)深紫外LED_E作為對(duì)照，非漸變和漸變Al組分見(jiàn)表1.

圖1 Al組分隧穿結(jié)AlGaN基深紫外LED結(jié)構(gòu)圖

表1 隧穿結(jié)Al組分

其中p型Al0.5Ga0.5N層和n型Al0.5Ga0.5N層的摻雜濃度均為5×1018cm-3，變Al組分隧穿結(jié)LED_A～E的p型層和n型層的摻雜濃度均為7.5×1019cm-3，厚度均為35 nm.

模擬計(jì)算，禁帶寬度依據(jù)Vegard定則[4-5]估算，AlxGa1-xN材料禁帶寬度采用Eg=6.28x+3.42(1-x)-x(1-x)[6]推算. 受主激活能隨Al組分線性地由140 meV(GaN)變化至630 meV(AlN)，施主激活能為15 meV[7]. 模擬隧穿結(jié)工作在室溫300 K平衡溫度下，AlGaN材料參量基于文獻(xiàn)報(bào)道的公認(rèn)數(shù)值，價(jià)帶與導(dǎo)帶帶階比[8]為0.3/0.7，俄歇復(fù)合系數(shù)[9]為1×1030cm6·s-1，肖特利-里的-霍爾(SRH)復(fù)合時(shí)間[9]為1.5 ns. 對(duì)于AlxGa1-xN合金的纖鋅礦結(jié)構(gòu)，晶體生長(zhǎng)過(guò)程中通過(guò)位錯(cuò)弛豫而產(chǎn)生的極化感應(yīng)層電荷密度設(shè)定[10]40%，其余參量見(jiàn)參考文獻(xiàn)[11-12].

2 仿真結(jié)果分析與討論

2.1 漸變Al組分隧穿結(jié)的電子結(jié)構(gòu)特性

有源區(qū)空穴注入濃度見(jiàn)圖2. 漸變Al組分結(jié)構(gòu)有源區(qū)的空穴濃度相對(duì)于非漸變結(jié)構(gòu)有1倍多的提升，比較各漸變Al組分深紫外LED有源區(qū)空穴濃度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Al組分漸變量為0.45-0.7-0.45時(shí)，對(duì)應(yīng)的LED有源區(qū)空穴濃度達(dá)到最大值3.7×1018cm-3，這表明漸變Al組分為0.45-0.7-0.45時(shí)，空穴注入有源區(qū)濃度得到提升.

圖2 有源區(qū)空穴濃度與隧穿結(jié)漸變Al組分的關(guān)系

圖3(a)展示了各漸變組分隧穿結(jié)UVLED電致發(fā)光譜在297 nm處的譜峰光強(qiáng)，可以看出采用漸變Al組分的隧穿結(jié)構(gòu)后LED的EL譜相對(duì)于非漸變結(jié)構(gòu)提升了近2個(gè)量級(jí)，相對(duì)于其他漸變組分隧穿結(jié)UVLED，LED_C漸變參量為0.45-0.7-0.45時(shí)EL譜光強(qiáng)達(dá)到最大值. 典型的EL結(jié)果如圖3(b)所示，發(fā)光峰位于297 nm. 結(jié)合圖2空穴濃度數(shù)據(jù)，有源區(qū)空穴濃度的顯著提升提高了有源區(qū)內(nèi)電子空穴輻射復(fù)合光強(qiáng)度.

(a)不同漸變參量對(duì)應(yīng)的EL峰值強(qiáng)度

(b)LED_C的EL譜(20mA)圖3 漸變Al組分隧穿結(jié)LED的電致發(fā)光譜

為揭示載流子的隧穿行為，模擬計(jì)算隧穿結(jié)能帶結(jié)構(gòu)，如圖4所示，漸變Al組分隧穿結(jié)電子結(jié)構(gòu)漸變組分間帶階加上AlGaN材料先天存在的自發(fā)極化和壓電極化引發(fā)能帶的傾斜加劇，增強(qiáng)載流子擴(kuò)散—漂移聯(lián)合運(yùn)動(dòng)方式，有助于減小載流子在隧穿結(jié)內(nèi)的遷移隧穿概率.

圖4 正向偏壓10 V時(shí)隧穿結(jié)區(qū)域能帶圖

2.2 漸變Al組分隧穿結(jié)LED的光電特性分析

基于優(yōu)化漸變Al組分隧穿結(jié)，深入考察器件電流電壓關(guān)系、電致發(fā)光譜、內(nèi)量子效率、光功率和輻射復(fù)合率，以揭示漸變組分隧穿結(jié)提升空穴注入增強(qiáng)器件光效的機(jī)制.

圖5為漸變組分與非漸變組分深紫外隧穿結(jié)LED的電流-電壓曲線，2種結(jié)構(gòu)的深紫外LED開(kāi)啟電壓約6 V，隨著電流的增大非漸變結(jié)構(gòu)趨向線性上升，呈現(xiàn)更好的導(dǎo)電性.

圖5 電流-電壓關(guān)系圖

注入電流20 mA的EL譜見(jiàn)圖6，其中漸變Al組分隧穿結(jié)構(gòu)有源區(qū)297 nm帶邊峰值強(qiáng)度比非漸變Al組分隧穿結(jié)構(gòu)峰值強(qiáng)度大近2個(gè)量級(jí).

圖6 EL譜

圖7 內(nèi)量子效率與注入電流關(guān)系圖

圖7為內(nèi)量子效率隨注入電流的變化關(guān)系，盡管不可避免大電流注入下內(nèi)量子效率下降，但是漸變Al組分隧穿結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減緩了內(nèi)量子效率下降的趨勢(shì)，工作電流300 mA時(shí)內(nèi)量子效率僅下降至35%，而非漸變結(jié)構(gòu)則下降至12%.

圖8展示了光輸出功率隨注入電流變化的關(guān)系，隨著注入電流的增加，光功率均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，漸變Al組分隧穿結(jié)構(gòu)UVLED的光輸出功率提升幅度明顯.

圖8 光輸出功率與注入電流的關(guān)系

觀察圖9有源區(qū)的輻射復(fù)合率，在工作電流為20 mA時(shí)，漸變Al組分隧穿結(jié)構(gòu)有源區(qū)輻射復(fù)合率比非漸變Al組分隧穿結(jié)構(gòu)高出22%，表明漸變Al組分隧穿結(jié)的引入增大有源區(qū)注入的空穴濃度，量子阱內(nèi)輻射復(fù)合率得到提高.

圖9 有源區(qū)的輻射復(fù)合率

3 結(jié) 論

通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M設(shè)計(jì)漸變Al組分隧穿結(jié)，利用漸變組分間帶階結(jié)合AlGaN材料先天存在的自發(fā)極化和壓電極化調(diào)控能帶，增強(qiáng)載流子擴(kuò)散—漂移聯(lián)合運(yùn)動(dòng)方式，有助于增大載流子在隧穿結(jié)內(nèi)的遷移隧穿概率. 模擬計(jì)算表明：經(jīng)優(yōu)化組分，漸變Al組分隧穿結(jié)，p+-AlGaN中Al組分自下而上線性地由0.45漸變到0.70，n+-AlGaN中Al組分自下向上線性地由0.70漸變到0.45. 器件I-V曲線在開(kāi)啟電壓以上，呈現(xiàn)近線性關(guān)系，表明漸變Al組分隧穿結(jié)深紫外LED器件表現(xiàn)出更佳的電注入特性，297 nm室溫電致發(fā)光峰強(qiáng)度高于非漸變結(jié)構(gòu)深紫外LED. 內(nèi)量子效率、光功率和輻射復(fù)合率模擬結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)漸變Al組分隧穿結(jié)的引入增大了有源區(qū)注入的空穴濃度，量子阱內(nèi)輻射復(fù)合率得到提高.