電子阻擋層Al組分對(duì)Si襯底GaN基黃光LED內(nèi)量子效率的影響

胡耀文， 高江東， 全知覺， 張建立， 潘 拴， 劉軍林， 江風(fēng)益

(南昌大學(xué) 國家硅基LED工程技術(shù)研究中心， 江西 南昌 330096)

1 引 言

近年來，GaN基高效發(fā)光二極管(LED)在背光照明、陣列投影和道路照明等領(lǐng)域備受關(guān)注[1-4]。盡管藍(lán)光LED因其極高的發(fā)光效率已經(jīng)商用，但無論GaN體系還是GaP體系都很難獲得高光效黃光LED，這一現(xiàn)象被稱為“黃光鴻溝”[5-6]。在GaN體系黃光LED中，量子阱In組分一般在30%～40%，如此高In含量的量子阱，其生長溫度一般會(huì)低于760 ℃，這樣過低的生長溫度將嚴(yán)重降低量子阱晶體質(zhì)量。另一方面，量子阱中In含量越高，壓電極化電場越強(qiáng)，這會(huì)加劇量子阱中電子和空穴波函數(shù)的空間分離，嚴(yán)重降低器件的發(fā)光效率[7-8]。

目前，商用GaN基LED一般使用Mg作為受主雜質(zhì)以獲得p型GaN，但是由于Mg激活能以及離化能較大，即使采用1×1020cm-3的高濃度Mg摻雜，實(shí)際獲得的空穴濃度也很難超過1×1018cm-3，而n型GaN中電子濃度可達(dá)5×1018cm-3。此外，GaN材料中電子遷移率遠(yuǎn)高于空穴遷移率，因此GaN基LED中有源區(qū)容易產(chǎn)生大量的電子溢出到p層現(xiàn)象，導(dǎo)致光效隨電流密度的增加而迅速下降[9-10]。目前商用GaN基LED一般采用AlGaN在p-n結(jié)處作為電子阻擋層(EBL)以阻擋電子溢出有源區(qū)，但是EBL也會(huì)阻礙空穴進(jìn)入有源區(qū)，即會(huì)降低空穴的注入效率[11]。因此，優(yōu)化EBL結(jié)構(gòu)以提高空穴注入效率是值得研究的。

在使用MOCVD法生長GaN基LED外延薄膜時(shí)，由于InGaN量子阱的生長溫度較低，會(huì)在薄膜的線位錯(cuò)周圍形成一種呈倒六棱錐體的缺陷，因斷面為V字形一般稱其為V形坑。Quan、Li等從理論上證實(shí)了V形坑側(cè)壁面因其為半極性面特性，可作為空穴進(jìn)入有源區(qū)的有效途徑，從而使空穴避開極性面AlGaN電子阻擋層的高勢(shì)壘，使空穴更容易進(jìn)入靠近n層的量子阱中，提升載流子在有源區(qū)的均勻性，使量子阱中電子與空穴的輻射復(fù)合率大幅度提升，從而提高光效[12-13]。

硅襯底氮化鎵基黃光LED一般具有雙層電子阻擋層設(shè)計(jì)，按生長次序分為EBL-1與EBL-2。由于電子阻擋層的生長在V形坑修復(fù)之前，在V形坑側(cè)壁處也會(huì)生長傾斜的EBL[14]，而其中EBL-1更接近量子阱可能更容易影響載流子中空穴的注入。

結(jié)合上述分析，本文欲通過改變EBL-1中Al組分來加大平臺(tái)區(qū)域?qū)昭ㄗ钃醯膭?shì)壘高度，進(jìn)而促進(jìn)更多的空穴從勢(shì)壘高度更低的V形坑側(cè)壁注入到量子阱中。并利用Silvaco公司開發(fā)的Atlas進(jìn)行數(shù)值模擬研究，從理論上探究其中的物理機(jī)理[15]。

2 實(shí)驗(yàn)與器件仿真

2.1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)使用的3組樣品均由南昌大學(xué)自行研制的高噴淋頭MOCVD生長設(shè)備制備。使用5.08 cm(2 in)圖形化Si(111)襯底，三甲基鎵(TMGa)、三乙基鎵(TEGa)、三甲基銦(TMIn)、三甲基鋁(TMAl)、氨氣(NH3)、二茂鎂(Cp2Mg)、硅烷(SiH4)分別作為Ga源、In源、Al源、N源、Mg源和Si源，氫氣(H2)、氮?dú)?N2)作為載氣，薄膜生長方向?yàn)椤?001〉。圖1是樣品外延層結(jié)構(gòu)示意圖，由下至上依次為圖形化Si(111)襯底，120 nm的AlN緩沖層，2.8 μm的n型GaN層，32個(gè)周期的In0.08GaN(5 nm)/GaN(2 nm)超晶格，10 nm的低溫GaN層，7個(gè)周期的In0.33GaN(2.5 nm)/GaN(13 nm)量子阱壘，第8個(gè)周期量子阱壘為In0.33-GaN(2.5 nm)/GaN(7 nm)，隨后是6 nm的AlxGaN(1-x)非故意摻雜電子阻擋層(EBL-1)，4 nm的p型Al0.2Ga0.8N電子阻擋層(EBL-2)，130 nm的p型GaN。其中在n型GaN生長完成后樣品表面平整，在InGaN/GaN超晶格生長過程中樣品表面會(huì)形成V形坑，最后在p型GaN生長過程中V形坑會(huì)被GaN填充直到樣品表面重新變?yōu)槠秸?/p>

圖1 3組實(shí)驗(yàn)樣品外延結(jié)構(gòu)圖

Fig.1 Schematic epitaxial structure for our investigated three samples

3組樣品A、B、C結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的唯一區(qū)別在于EBL-1中Al組分不同，分別為20%、50%和80%，使用硅襯底GaN基黃光LED芯片工藝將外延片制備成器件[16]。使用Keithley 2 635 A直流電源、IS ISP250-110積分球和IS CAS140CT光譜儀對(duì)樣品電致發(fā)光光效進(jìn)行表征。

2.2 器件仿真

采用半導(dǎo)體仿真軟件Silvaco Atlas對(duì)實(shí)驗(yàn)中的樣品進(jìn)行器件仿真研究。主要應(yīng)用的物理模型包括纖鋅礦能帶模型、載流子漂移擴(kuò)散模型、不完全離化模型、Shockley-Read-Hall復(fù)合模型、俄歇復(fù)合模型、一般輻射復(fù)合模型。其中輻射復(fù)合系數(shù)設(shè)置為2×10-11cm3·s-1，俄歇復(fù)合系數(shù)設(shè)置為6×10-30cm6·s-1。由于EBL中不同Al組分晶體生長質(zhì)量的差異，3組樣品Shockley-Read-Hall(SRH)復(fù)合中載流子壽命分別設(shè)置為12，12，2 ns，所有參數(shù)均在已有報(bào)道的合理范圍內(nèi)[13,17-19]。

圖2 (a)樣品B的V形坑及附近量子阱的透射電鏡(TEM)測試結(jié)果；(b)硅襯底GaN基黃光LED相應(yīng)仿真結(jié)構(gòu)截面示意圖。

Fig.2 (a) Transmission electron microscopy(TEM) test results of V-shaped pits and nearby quantum wells sample B. (b) Schematic cross-section of the corresponding simulation structure of GaN-based yellow LED on silicon.

3 結(jié)果與討論

圖3為3個(gè)樣品的實(shí)際測試和仿真軟件得到的電致發(fā)光下內(nèi)量子效率(IQE)-電流密度曲線。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，3個(gè)樣品IQE最高點(diǎn)分別為56.7%@1.5 A·cm-2、55.9%@2 A·cm-2和28.5%@5.5 A·cm-2。特別是在樣品C中，內(nèi)量子效率下降更為明顯。值得注意的是，仿真與實(shí)際測試結(jié)果均顯示：小電流密度下，樣品B的IQE低于樣品A；而大電流密度下，樣品B的IQE高于樣品A。圖3(b)中，虛線為樣品C不考慮生長高Al組分EBL-1帶來的晶體質(zhì)量變差的模擬結(jié)果(采用SRH復(fù)合中載流子壽命12 ns)。虛線模擬結(jié)果表明，若不考慮晶體質(zhì)量變差，那么大電流下，樣品C的IQE最高。而藍(lán)色實(shí)線則是考慮樣品C生長80% Al組分EBL-1帶來的晶體質(zhì)量的影響，并減小仿真模型中載流子壽命(SRH復(fù)合中載流子壽命2 ns)。其模擬與實(shí)際測試結(jié)果均顯示樣品C具有最低的內(nèi)量子效率。生長80% 高Al組分EBL-1層不僅會(huì)使得該層晶體質(zhì)量變差，C污染增多、后續(xù)p層Mg激活變得困難等問題都會(huì)降低其內(nèi)量子效率。因此，樣品C仿真僅考慮改變SRH復(fù)合中載流子壽命而得到的IQE結(jié)果仍會(huì)與實(shí)際測試結(jié)果有一定差距。

圖3 (a)樣品A和B的測試和仿真內(nèi)量子效率(IQE)；(b)樣品C的測試和仿真內(nèi)量子效率(IQE)。所有樣品在35 A·cm-2下測得主波長為565 nm。

Fig.3 Tested and simulated internal quantum efficiency (IQE) for sample A， B(a) and C(b). The tested dominant wavelengths of samples are all 565 nm at 35 A·cm-2.

為了探究在大電流情況下，樣品B的IQE效率高于樣品A這一現(xiàn)象的原因，本文對(duì)仿真結(jié)果中3個(gè)樣品的量子阱中空穴濃度分別進(jìn)行分析。圖4是3個(gè)樣品在35 A·cm-2電流密度下空穴濃度分布圖(樣品C的SRH復(fù)合中載流子壽命為2 ns)。從左至右依次是n型GaN一側(cè)的1st量子阱至p型GaN一側(cè)的8th量子阱。從圖中可以看出，樣品A對(duì)應(yīng)的8th量子阱中空穴濃度最多，樣品B對(duì)應(yīng)的8th量子阱中空穴濃度較少，樣品C對(duì)應(yīng)的8th量子阱中空穴濃度最低?？赡苁且?yàn)镋BL-1中Al組分的增加，使8th量子壘GaN與EBL-1中壓電極化場增加，價(jià)帶勢(shì)壘升高，導(dǎo)致空穴濃度降低。從圖4中可以看出，隨著EBL-1中Al組分增加，具有最高空穴濃度的量子阱更傾向于靠近n型GaN一側(cè)，且空穴濃度在每個(gè)量子阱中分布得更為均勻。值得注意的是，樣品B和樣品C的前7個(gè)量子阱的空穴濃度均超過了樣品A。

圖4 在電流密度35 A ·cm-2下，3個(gè)樣品的(0001)多量子阱中空穴濃度的仿真結(jié)果對(duì)比。

Fig.4 Calculated hole concentrations of (0001) multiple quantum wells of three samples at 35 A·cm-2

表1 3個(gè)樣品Hc和Hv計(jì)算結(jié)果以及測試和仿真IQE(@20 A·cm-2)值

小電流下，由于EBL-1價(jià)帶勢(shì)壘高度隨著EBL-1中Al組分提高逐漸增高，空穴注入難度加大，3個(gè)樣品內(nèi)量子效率隨著EBL-1中Al組分提高而降低。但是在大電流下(不考慮生長高Al組分EBL-1帶來的晶體質(zhì)量變差的影響)，空穴更容易從V形坑側(cè)壁注入至量子阱中。量子阱有源區(qū)具有更多的空穴，從而內(nèi)量子效率隨著EBL-1中Al組分增加而提高。

而實(shí)驗(yàn)測試中樣品C相比于樣品B，其內(nèi)量子效率有所下降，主要?dú)w結(jié)為其EBL-1中Al組分過高導(dǎo)致晶體質(zhì)量大幅度下降，更多的Al組分也會(huì)導(dǎo)致更多的C雜質(zhì)進(jìn)入AlGaN[24]，繼而影響其后生長的p型GaN晶體質(zhì)量，對(duì)空穴傳入造成不利影響。空穴濃度下降，從而嚴(yán)重降低內(nèi)量子效率。

4 結(jié) 論

從實(shí)驗(yàn)和仿真兩方面分析了EBL-1中Al組分對(duì)GaN基黃光LED內(nèi)量子效率的影響，并獲得了與實(shí)際測試非常接近的內(nèi)量子效率仿真結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)EBL-1中Al約為50%時(shí)，其LED內(nèi)量子效率最高。仿真結(jié)果表明，隨著EBL-1中Al組分增加，空穴更容易從V形坑側(cè)壁注入至更深的量子阱有源區(qū)中，使空穴在多量子阱有源區(qū)中的分布更為均勻，能夠有效提升內(nèi)量子效率。然而，EBL-1中Al組分過高，會(huì)導(dǎo)致EBL-1的晶體質(zhì)量降低并影響后續(xù)p型GaN晶體質(zhì)量，使空穴濃度下降，導(dǎo)致內(nèi)量子效率急劇下降。綜上所述，EBL-1中Al組分約為50%最有利于GaN基黃光LED內(nèi)量子效率的提高。