多量子阱壘結構優化提高GaN基LED發光效率研究

游瑜婷

摘 要：為了解決由于極化效應引起的漏電流影響發光效率的問題，以k.p理論為基礎建立多量子阱模型，分析研究了GaN基LED中不同的InGaN/InGaN多量子阱發光層勢壘結構?；诨衔锇雽w器件的電學、光學和熱學屬性的有限元分析，設計與優化多量子阱中靠近P型AlGaN電子阻檔層倒數第二層勢壘，顯著提高了光輸出功率，減少漏電流.數值模擬分析表明，改良多量子阱勢壘能夠大幅提高高亮度、高功率器件結構光電特性。

關鍵詞：GaN基LED 多量子阱 InGaN 壘結構

中圖分類號：0471 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（c）-000-04

以氮化鎵（GaN）為代表的Ⅲ-V族氮化物材料在近十年來得到廣泛研究，發展及應用。GaN基高效發光二極管具有壽命長、節能、綠色環保等顯著特點，已被廣泛應用于大屏幕彩色顯示、汽車照明和交通信號、多媒體顯示、光通訊等領域.但是，實驗研究表明GaN基半導體發光二極管的發光效率會受一些因素影響，其中包括由極化效應引起的漏電流[1-2]，俄歇復合[3]，較高結溫[4]，較低的空穴注入效率[5-6]等等。

這些問題均已經嚴重制約了GaN基半導體發光二極管作為高亮度、高功率器件在照明領域的商業應用，因而受到了全世界GaN基半導體發光二極管研究者和制造者得廣泛關注，大量的資金投入到研究和改善工作中。

Ⅲ族氮化物較大的自發極化常數和壓電極化常數可導致很強的自發極化電場和壓電極化電場。極化效應使InGaN/GaN多量子阱結構的帶邊由方形勢變成三角形勢，并使電子和空穴的分布產生空間分離從而減小發光效率。

Shim[7]等研究了不同形狀的量子阱的發光效率，發現梯形阱比方形阱和三角阱的發光效率要高，重現性要好.而針對In組分梯度變化的量子阱結構的研究還是比較少，實驗上也不多。對此，該文做了一些相關計算模擬用來說明該結構的顯著效果。

該文以k.p理論為基礎，結合多能帶底有效質量修正，根據量子阱的多體增益和自發發射模型，表面電荷自發極化作用的自洽量子約束和運輸模型，建立了多量子阱結構，保持了非有源區結構參數不變，通過設計與優化多量子阱中不同勢壘層，分析對比相應的光輸出功率圖譜，提出了一種高效的量子阱結構，并對該結構進行分析研究。

1 結構與參數優化

1.1 LED外延結構模型

依據壓電理論[8]基礎，利用有限元分析方法，以漂移-擴散模型和電流連續方程[9]為基礎，通過自洽求解泊松方程建立如下外延結構模塊[10]包括3 um的n-GaN層（n型摻雜濃度為）；有源層由6層10 nm的勢壘與5層4nm相間組成；20 nm的p-電子阻擋層（p型摻雜濃度為）；15 nm的p-層（p型摻雜濃度為）。該裝置的幾何模型為300 μm×300 μm的正方形，結構如圖1所示。

其中、、分別為AlN、GaN、InN的壓電極化參數。LED裝置的內吸收設定為500 m-1，操作溫度設定為300 K。為了簡化仿真，光的提取效率設定為0.78。其他半導體材料的參數設定參照參考文獻[13]。

2.2 量子阱勢壘參數對比優化

根據上述的外延結構對有源層的6層10nm勢壘分別進行優化處理，方法為以2nm-/2nm-/2nm-/2nm-/2nm-結構的勢壘（其中x值沿外延生長方向逐漸增加）替代原來10 nm的結構的勢壘，如圖2所示。

圖中x表示InGaN中In的含量。按照圖2所示方式對6層勢壘結構分別進行優化，發現最靠近P型AlGaN電子阻擋層的倒數一二層勢壘對光輸出功率有增強作用，其余勢壘結構對其影響不大甚至有減弱作用。該仿真結果與實驗結果：Ⅲ族氮化物多量子阱結構的發光主要來源于靠近p區的量子阱相符合。因此采取對比排除法，依據只優化倒數一二層與不優化倒數一二層思路，設置了只優化倒數第一層勢壘，只優化倒數第二層勢壘，共同優化倒數第一二層勢壘以及不優化倒數一層，不優化倒數二層，倒數一二層均不優化這六組，最后再設置一組全部優化的對照組⑦。具體優化步驟如下表1所示。

表中只是顯示出6層勢壘結構，而忽略5層阱結構。上表中倒一層表示最靠近P型AlGaN電子阻擋層的勢壘，其余行意義依次類推可知.√處表示對勢壘層進行了如圖2所示的優化處理，而空白處表示未做任何處理。根據上表對應的外延結構一一進行仿真，對比分析不同組的光輸出功率圖得出一種最優的量子阱結構模型。

2 結果與討論

2.1 優化量子阱的仿真結果

按照第2部分的表1進行仿真，得到8組光輸出功率圖譜（L-I曲線）。根據光輸出功率優于基準與劣于基準，將該8組進行分組對照繪制，分組如下表2所示。

根據圖3與圖4的仿真結果可知，組一中結構②的L-I曲線遠優于基準等其他結構，而組二中的則以基準的L-I曲線最優，由此可知，組一中的結構②優化效果最佳.也即是通過設計與優化多量子阱中靠近P型AlGaN電子阻檔層倒數第二層勢壘，能夠顯著提高光輸出功率。

2.2 分析與討論

根據上述結果，以下均將最佳優化效果②與基準進行對比分析.兩種模型仿真的光輸出功率圖繪制如圖5所示。可知在電流低注入時候，兩種結構的光功率差異不大.隨著注入電流的增加，兩種結構的輸出光功率差異逐步加劇。結構②幾乎呈現線性快速增長，而基準結構的光輸出功率只是緩慢增長.當注入電流為350 mA時候，結構②的光輸出功率幾乎為基準結構的6倍

左右。

為了解釋上述現象，圖6（a）為基準的能帶圖，可知InGaN/InGaN多量子阱結構在極化電場的影響下，導帶和價帶的邊帶變成了三角形勢。這主要是由于極化效應在量子阱中產生極化電場。電場的存在使多量子阱結構中各層沿著生長方向上產生壓降，壓降正比于該層的電場強度和厚度，進而極化效應的存在使得邊帶形狀發生改變。

圖6（b）為靠近p-AlGaN倒數第二層勢壘的放大能帶圖.由于斜三角勢壘的存在，產生了量子限制斯塔克效應（QCSE）[14]，使得電子向能級低得方向即導帶的三角帶邊和空穴向能量高的方向即價帶的三角帶邊移動，導致電子和空穴分別向不同側邊聚集，從而減少載流子復合幾率。這些都會導致大的漏電流，使得多量子阱結構發光效率低。按照圖2所示的優化方法，勢壘帶邊由三角形變成了方形，如圖7（a）所示為結構②的能帶圖.不同于基準的能帶圖，結構②中靠近p-AlGaN倒數第二層的勢壘呈現梯形結構，如圖7（b）所示。

這樣能夠大大削弱極化電場作用，特別是壓電極化作用，有效限制電子和增加空穴的注入，減少漏電流，增強阱區收集載流子的能力，增加了俘獲電子和空穴的概率，從而使得電子與空穴之間能夠達到高效復合.另一方面勢壘中In含量沿外延生長方向線性增加能夠釋放應力，相應的減小壓電極化，電子空穴波函數空間交疊得以加強，使得光學躍遷矩陣元增大[15]，有效地減少了非輻射復合，提高了多量子阱結構的發光效率，從而使量子阱的性能達到最優狀態，符合Shim等研究結論。

3 結語

該文針對由于極化效應引起的漏電流影響發光效率的問題，基于k.p理論建立多量子阱模型，分析研究了GaN基LED中不同的InGaN/InGaN多量子阱發光層勢壘結構，設計出一種高效的量子阱結構.該量子阱結構能夠顯著提高光輸出功率，減少漏電流，性能遠優于其他結構.數值模擬分析表明，設計與優化多量子阱中靠近P型AlGaN電子阻檔層倒數第二層勢壘能夠大幅提高高亮度、高功率LED器件的光電特性。

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