量子阱結(jié)構(gòu)對含V形坑InGaN/GaN藍光LED效率衰減的影響

呂全江， 莫春蘭， 張建立， 吳小明， 劉軍林， 江風益

(南昌大學 國家硅基LED工程技術研究中心， 江西 南昌 330047)

量子阱結(jié)構(gòu)對含V形坑InGaN/GaN藍光LED效率衰減的影響

呂全江， 莫春蘭*， 張建立， 吳小明， 劉軍林， 江風益

(南昌大學 國家硅基LED工程技術研究中心， 江西 南昌 330047)

使用MOCVD在圖形化Si襯底上生長了含V形坑的InGaN/GaN藍光LED。通過改變生長溫度，生長了禁帶寬度稍大的載流子限制阱和禁帶寬度稍小的發(fā)光阱，研究了兩類量子阱組合對含V形坑InGaN/GaN基藍光LED效率衰減的影響。使用高分辨率X射線衍射儀和LED電致發(fā)光測試系統(tǒng)對LED外延結(jié)構(gòu)和LED光電性能進行了表征。結(jié)果表明：限制阱靠近n層、發(fā)光阱靠近p層的新型量子阱結(jié)構(gòu)，在室溫75 A/cm2時的外量子效率相對于其最高點僅衰減12.7% ，明顯優(yōu)于其他量子阱結(jié)構(gòu)的16.3%、16.0%、28.4%效率衰減，且只有這種結(jié)構(gòu)在低溫時(T≤150 K)未出現(xiàn)內(nèi)量子效率隨電流增大而劇烈衰減的現(xiàn)象。結(jié)果表明，合理的量子阱結(jié)構(gòu)設計能夠顯著提高電子空穴在含V形坑量子阱中的有效交疊，促進載流子在阱間交互，提高載流子匹配度，抑制電子泄漏，從而減緩效率衰減、提升器件光電性能。

硅襯底； InGaN/GaN藍光LED； 效率衰減； V形坑； 量子阱結(jié)構(gòu)

1 引 言

近年來，隨著光效的快速提升，InGaN/GaN基LED已在照明、顯示等領域得到廣泛應用[1-2]。為了進一步節(jié)能以及降低成本，LED發(fā)光效率的提高仍是目前學術界和產(chǎn)業(yè)界的關注熱點。典型的InGaN多量子阱(Multi quantum well,MQW)LED量子效率會在小電流密度下(<20 A/cm2)達到極大值[3]，隨后若再增大電流密度，其發(fā)光效率會逐漸下降，即出現(xiàn)“效率衰減”(Efficiency droop)現(xiàn)象[4-5]。對引起InGaN/GaN基LED發(fā)光效率隨電流密度增加而衰減(Current-density droop或J-droop)原因的研究由來已久，形成了眾多不同的觀點，包括載流子泄漏(Carrier leakage)[5]、俄歇復合(Auger recombination)[6]、空穴注入能力差(Poor hole injection efficiency)[7]以及載流子在多量子阱中不均勻分布(Nonuniform carrier distribution)[8]等。但目前為止，對這一問題仍然沒有統(tǒng)一的說法。針對各種引起InGaN/GaN基LED發(fā)光效率衰減的原因，研究者們制定了不同的應對策略，主要表現(xiàn)為：加強空穴注入能力、提高量子阱對載流子的束縛能力、提升載流子在阱區(qū)匹配度從而減小電子泄漏和俄歇復合等[9-11]。

眾所周知，由于缺少合適的同質(zhì)襯底材料，GaN薄膜通常在異質(zhì)襯底(如藍寶石、SiC、硅襯底等)上生長。由于二者之間巨大的晶格失配和熱失配，導致GaN薄膜外延生長過程中產(chǎn)生的穿透位錯 (Threading dislocation，TD)密度高達108～1010/cm2。這些TDs在做近似垂直延伸時伴隨形成倒六角金字塔狀，6個側(cè)面為{10-11}面的V形缺陷，即通常所說的V形坑(V-pits)[12-14]。作為InGaN/GaN 基LED器件的一個典型特征，V形坑在屏蔽位錯、提高器件發(fā)光效率方面的作用已經(jīng)取得廣泛的認同[15]；隨著研究的不斷深入，V形坑提升空穴注入量子阱的效率、改善載流子在阱區(qū)不均勻分布的作用也逐漸被認識和利用，從而顯著提高了InGaN/GaN LED器件的光電性能[16-19]。關于V形坑的形成機理及V形坑大小對InGaN/GaN基藍光LED光電性能的影響已有大量研究，但是對于V形坑如何影響多量子阱結(jié)構(gòu)中載流子的輸運及復合機制尚未有清晰的認識，尤其是V形坑對靠近p層少數(shù)幾個阱發(fā)光行為的影響。因此，研究V形坑對載流子在阱區(qū)輸運及復合的影響，對于提高藍光LED的發(fā)光效率具有積極的意義。

本文在含V形坑的外延結(jié)構(gòu)基礎上，通過改變生長溫度生長不同In組分的多量子阱，研究具有不同勢壘差的多量子阱結(jié)構(gòu)對含V形坑藍光LED光電性能的影響。采用高分辨率X射線衍射(HR-XRD)、電致發(fā)光(EL)、變溫變電流電致發(fā)光(VTEL)等對材料和器件的性能進行表征。研究結(jié)果表明，對含V形坑結(jié)構(gòu)的藍光LED器件，設計合理的量子阱結(jié)構(gòu)，將量子阱分為載流子限制阱和發(fā)光阱，利用不同阱間的勢壘差促進載流子在阱間交互，提升電子空穴在阱區(qū)匹配度，可以在一定程度上減緩效率衰減效應、提升光效。

2 實 驗

實驗樣品均采用圖形化硅襯底選區(qū)生長技術在Thomas Swan CCS MOCVD外延生長系統(tǒng)中制備[20-22]。其外延結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，自下至上分別為Si(111)襯底、AlN緩沖層、n型GaN層、周期數(shù)為30的In含量約為3%的InGaN/GaN超晶格、低溫GaN電子注入層、9個周期的InGaN/GaN多量子阱(阱3 nm，壘10 nm)、p-AlGaN電子阻擋層、p-GaN空穴注入層和重摻Mg的p-GaN接觸層。

圖1(b)為樣品能帶結(jié)構(gòu)示意圖，在A、B、C、D 4個樣品中，較深的藍色標記的阱代表生長溫度為836.5 ℃的禁帶寬度Eg較小的發(fā)光阱，設計波長為455 nm；較淺的青色標記的阱代表生長溫度為842.5 ℃的禁帶寬度Eg較大的載流子限制阱，設計波長為445 nm。紅色部分代表p-AlGaN電子阻擋層。器件結(jié)構(gòu)為垂直結(jié)構(gòu)，芯片有效發(fā)光面積為1 mm × 1 mm，其詳細制造過程見文獻報道[21]。

圖1 硅襯底InGaN/GaN基藍光LED藍色發(fā)光二極管。(a)外延結(jié)構(gòu)示意圖；(b)樣品A、B、C、D能帶結(jié)構(gòu)示意圖。

Fig.1 Schematic diagram of InGaN/GaN-based blue LED on silicon substrate． (a) Epitaxy layers. (b) Energy band structure of sample A, B, C and D, respectively.

3 結(jié)果與討論

使用 Panalytical公司生產(chǎn)的X'Pert PRO高分辨率X射線雙晶衍射儀( Cu 靶，40 kV ×40 mA) 表征樣品A、B、C、D外延片的結(jié)構(gòu)及晶體質(zhì)量，結(jié)果如圖 2 所示。圖2中較強的主峰來自GaN層，其他較弱的0、±1、±2、-3、-4峰是MQW的衛(wèi)星峰。4個樣品的衍射曲線均能清楚地看到MQW第4級衛(wèi)星峰，表明4個樣品的晶體質(zhì)量都很好，量子阱阱層和壘層界面陡峭。通過進一步軟件擬合發(fā)現(xiàn)，4個樣品的量子阱厚度基本一致，本實驗中將阱的溫度升高或降低6 ℃并沒有對MQW厚度產(chǎn)生明顯影響。

圖2 樣品A、B、C、D外延片的XRD ω-2θ衍射峰曲線。

Fig.2 XRDω-2θpeak curves of sample A, B, C and D, respectively.

本文選取在350 mA下點測得到的主波長在453～454 nm范圍內(nèi)的芯片進行封裝，封裝成燈珠后采用 Keithley 2635恒流源作為激發(fā)源給樣品加占空比為10%的脈沖直流電信號，并同時記錄樣品的電流-電壓(I-V)特性，測試電壓范圍為0～3.5 V。樣品發(fā)出的穩(wěn)態(tài)EL信號經(jīng)Instrument Systems公司生產(chǎn)的型號為 ISP250- 211 的積分球和型號為CAS140CT的光譜儀進行探測，得到室溫不同電流密度下的外量子效率(EQE)強度曲線，測試電流范圍為0.01～750 mA。

圖3 樣品A、B、C、D的外量子效率曲線(a)和正向偏壓下的I-V曲線(b)。

Fig.3 EQE curves (a) and forward-biasI-Vcurves (b) of sample A, B, C and D, respectively.

圖3為室溫下4組樣品的EQE和正向I-V曲線，從圖3(a)EQE曲線中可以看出：

(1)在小電流密度下(≤5.5 A/cm2)，樣品C 的EQE最大，樣品A、B次之且二者曲線在整個測試范圍內(nèi)基本重合，樣品D的EQE最小；4個樣品EQE最大值ηmax差別不大，均在67%附近。

(2)在大電流密度下，4組樣品都出現(xiàn)了效率衰減現(xiàn)象，樣品C的效率衰減最嚴重。定義ηdroop=(ηmax-η750)/ηmax(式中ηdroop為效率衰減比率，η750為樣品在750 mA測試電流下的EQE)，則樣品A、B、C、D的效率衰減分別為16.3%、16.0%、28.4%、12.7%。從圖3(b)I-V曲線中可以看出，樣品A、B的正向電壓曲線幾乎重合，樣品D正向電壓稍大于樣品A、B，而樣品C則表現(xiàn)出明顯的正向電壓增加現(xiàn)象。在350 mA工作電流下，樣品A、B、C、D的正向電壓分別為3.02，3.03，3.12，3.06 V。

綜合EQE和正向I-V結(jié)果可以得出，改變含V形坑的量子阱的結(jié)構(gòu)及勢壘差對InGaN/GaN基藍光光電性能產(chǎn)生了顯著影響。相對于樣品A、B、C，樣品D在大電流密度下不僅EQE有了提高而且效率衰減現(xiàn)象有了大幅改善，與樣品C相比，其效率衰減降低16%左右。需要注意的是，樣品D靠近p層的2個發(fā)光阱的生長溫度較前面7個載流子限制阱降低了6 ℃，導致其In組分變多，禁帶寬度Eg變小，二者之間產(chǎn)生勢壘差；同時由于空穴有效質(zhì)量大、遷移率低等原因，空穴主要集中分布在靠p層Eg較小的少數(shù)幾個阱中，使得發(fā)光阱中的載流子濃度更高且電子空穴匹配度更好，從而導致樣品D不僅效率高、droop效應小而且工作電壓低，有較為優(yōu)異的光電性能。

從圖3(a)可以觀察到一個很有意思的現(xiàn)象：樣品A和B的EQE曲線在整個測試電流范圍內(nèi)基本重合。進一步對比其他光電性能(如半峰寬、峰值波長、光譜隨電流密度的變化)發(fā)現(xiàn)，樣品A和B在室溫下的幾乎所有曲線都相吻合。需要注意的是樣品B在樣品A的結(jié)構(gòu)上只是在靠p層末阱生長時溫度升高6 ℃，因此我們認為，在含V形坑結(jié)構(gòu)的InGaN/GaN基藍光LED中，末阱對整個阱區(qū)發(fā)光貢獻不大，甚至幾乎不發(fā)光。這一結(jié)果與以往眾多文獻模擬中所提出的InGaN/GaN基藍光LED以末阱發(fā)光為主[23-24]的結(jié)論截然相反。當然，需要指出的是之前文獻中的模擬模型都不包含V形坑。而最近Li等對含V形坑多量子阱中靠p層末阱發(fā)光行為模擬結(jié)果的報道[18]與我們在實驗中所觀察到的現(xiàn)象相吻合。

樣品C所表現(xiàn)出來的小電流密度EQE高于其他樣品，而大電流密度下效率衰減嚴重且工作電壓高的現(xiàn)象，可能原因是樣品C在小電流密度下有利于載流子注入發(fā)光阱，在大電流密度下發(fā)生了較為嚴重的電子泄漏。為進一步探究效率衰減效應與電子泄漏之間的關系，解釋各個樣品droop效應的差異，我們對4個樣品進行了變溫變電流電致發(fā)光(VTEL)測試，測試溫度范圍為100～350 K，結(jié)果如圖4所示。

圖4 樣品A、B、C、D的IQE曲線。

對于InGaN/GaN基LED，EQE隨溫度降低而增大。這是由于溫度降低，缺陷(主要是點缺陷)被部分“凍結(jié)”，從而減少了由缺陷引起的非輻射復合[25]。在這種情況下，我們假設低溫下EL強度最大值對應的IQE(內(nèi)量子效率)為100%，其他測試溫度和電流對應的IQE可以通過與低溫下EQE最大值進行歸一化處理獲得[26-27]。本文測試中以100 K的EQE最高值做歸一化處理得到樣品A、B、C、D的IQE曲線。

從圖4發(fā)現(xiàn)，在低溫時(≤150 K)，樣品A、B、C均出現(xiàn)了IQE隨電流密度增大而劇烈下降的現(xiàn)象，且在樣品C中表現(xiàn)尤為突出。在100 K溫度下，樣品A、B、C發(fā)生IQE曲線突然下降的電流密度分別為2，1.5，0.18 A/cm2。樣品C在150 K即出現(xiàn)IQE曲線隨電流密度增大突然下降的現(xiàn)象，而樣品D在整個測試溫度范圍內(nèi)無IQE突然下降現(xiàn)象。

圖5給出了具有V形坑的InGaN/GaN基藍光LED載流子輸運的示意圖。由于Mg激活能大導致空穴濃度不足，再加上空穴有效質(zhì)量大、遷移率低等原因，空穴由圖5中path 1直接向多量子阱中擴散或隧穿長度一般在80 nm左右[28]，很難到達圖中所示的靠n層的量子阱中。相對于樣品A，樣品C靠p層的兩個Eg較大的限制阱會阻礙空穴由path 1注入靠n層的發(fā)光阱中，而V坑側(cè)壁薄、電阻小，從而迫使部分空穴由path 2注入靠n層的發(fā)光阱中。由此，在小電流密度下，由于有V坑側(cè)壁(path 2)注入空穴的補充，樣品C發(fā)光阱中的載流子匹配度更高，從而導致其EQE顯著高于樣品A；隨著電流密度的增大，從V坑側(cè)壁(path 2)注入的空穴電流逐漸趨于飽和，此時path 1成為主要空穴注入通道，樣品C靠p層兩個Eg較大的限制阱將不利于空穴的注入，從而導致嚴重的電子泄漏，并造成IQE曲線出現(xiàn)嚴重的droop效應，當溫度降低時，空穴濃度的顯著下降將加劇這一現(xiàn)象。樣品B由于靠近p層只有1個限制阱，所以對空穴從path 1注入發(fā)光阱影響小，只有在100 K、電流密度大于1 A/cm2時才表現(xiàn)出與樣品A的差異，如圖4所示，這也說明最后一個阱對載流子注入影響不大。對于樣品D，由于其靠p層的兩個發(fā)光阱Eg較小，有利于空穴由path 1注入，同時電子自n側(cè)注入到阱區(qū)時會被Eg較大的限制阱所“冷卻”， 減少電子在靠近p層發(fā)光阱中的堆積，所以電子泄漏得到抑制，大電流密度下的效率衰減最小。以上結(jié)果表明，不同限制阱和發(fā)光阱的組合可以顯著影響載流子在含V形坑量子阱中的輸運及復合，而載流子的輸運及復合直接影響器件的光電性能。對于含V形坑的InGaN/GaN基藍光LED，合理的量子阱結(jié)構(gòu)設計可以使器件獲得更加優(yōu)異的光電性能。

圖5 載流子由V形坑側(cè)壁量子阱注入及等效電路示意圖

Fig.5 Carrier injected into the quantum well from the sidewall of the V- pits and it’s equivalent electrical circuit model

4 結(jié) 論

使用MOCVD方法，在圖形化硅(111)襯底上生長了含V形坑的InGaN/GaN基藍光LED。通過生長載流子限制阱和發(fā)光阱，研究了兩種不同類型量子阱的組合對含V形坑的InGaN/GaN基藍光LED效率衰減的影響。結(jié)果表明，通過優(yōu)化異質(zhì)結(jié)構(gòu)改變不同類型量子阱勢壘差，可以提高載流子在含V形坑量子阱中的注入及復合效率，提升載流子在阱區(qū)匹配度，抑制電子泄漏，獲得更加優(yōu)異的光電性能。在電學性能方面，具有不同的量子阱勢壘差的A、B、C、D 4組樣品在350 mA下的正向電壓依次為3.02，3.03，3.12，3.06 V。在光學性能方面，A、B、C、D 4組樣品在75 A/cm2時相對于各自EQE最大值的效率衰減分別為16.3%、16.0%、28.4%、12.7%。在低溫時，樣品A、B、C都出現(xiàn)IQE在大電流下劇烈衰減的現(xiàn)象且趨勢依次加重，而樣品D在整個測試溫度范圍內(nèi)并未出現(xiàn)IQE劇烈下降情況。本文給出通過不同類型量子阱組合產(chǎn)生能級勢壘差的新型量子阱結(jié)構(gòu)，對于減緩LED器件在大電流密度下的效率衰減有一定的參考價值。

[1] HORIUCHI N. Light-emitting diodes: natural white light [J].Nat.Photon., 2010, 4(11):738.

[2] MORKO? H.HandbookofNitrideSemiconductorsandDevices[M]. Weinheim: Wiley-VCH, 2008.

[3] 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.

[4] NAKAMURA S, SENOH M, IWASA N,etal.. High-brightness InGaN blue, green and yellow light-emitting diodes with quantum well structures [J].Jpn.J.Appl.Phys., 1995, 34(7A):L797.

[5] KIM M H, SCHUBERT M F, DAI Q,etal.. Origin of efficiency droop in GaN-based light-emitting diodes [J].Appl.Phys.Lett., 2007, 91(18):183507-1-3.

[6] SHEN Y C, MUELLER G O, WATANABE S,etal.. Auger recombination in InGaN measured by photoluminescence [J].Appl.Phys.Lett., 2007, 91(14):141101-1-3.

[7] ROZHANSKY I V, ZAKHEIM D A. Analysis of the causes of the decrease in the electroluminescence efficiency of AlGaInN light-emitting-diode heterostructures at high pumping density [J].Semiconductors, 2006, 40(7):839-845.

[8] BAN D, SARGENT E H. Influence of nonuniform carrier distribution on the polarization dependence of modal gain in multiquantum-well lasers and semiconductor optical amplifiers [J].IEEEJ.Quant.Electron., 2000, 36(9):1081-1088.

[9] XIA C S, LI Z M S, LU W,etal.. Efficiency enhancement of blue InGaN/GaN light-emitting diodes with an AlGaN-GaN-AlGaN electron blocking layer [J].J.Appl.Phys., 2012, 111(9):094503-1-4.

[10] WANG C H, KE C C, LEE C Y,etal.. Hole injection and efficiency droop improvement in InGaN/GaN light-emitting diodes by band-engineered electron blocking layer [J].Appl.Phys.Lett., 2010, 97(26):261103-1-3.

[11] XIA C S, LI Z M S, LU W,etal.. Droop improvement in blue InGaN/GaN multiple quantum well light-emitting diodes with indium graded last barrier [J].Appl.Phys.Lett., 2011, 99(23):233501-1-3.

[12] CHEN Y, TAKEUCHI T, AMANO H,etal.. Pit formation in GaInN quantum wells [J].Appl.Phys.Lett., 1998, 72(6):710-712.

[13] WU X H, ELSASS C R, ABARE A,etal.. Structural origin of V-defects and correlation with localized excitonic centers in InGaN/GaN multiple quantum wells [J].Appl.Phys.Lett., 1998, 72(6):692-694.

[14] WATANABE K, YANG J R, HUANG S Y,etal.. Formation and structure of inverted hexagonal pyramid defects in multiple quantum wells InGaN/GaN [J].Appl.Phys.Lett., 2003, 82(5):718-720.

[15] HANGLEITER A, HITZEL F, NETZEL C,etal.. Suppression of nonradiative recombination by V-shaped pits in GaInN/GaN quantum wells produces a large increase in the light emission efficiency [J].Phys.Rev.Lett., 2005, 95(12):127402-1-4.

[16] QUAN Z J, WANG L, ZHENG C D,etal.. Roles of V-shaped pits on the improvement of quantum efficiency in InGaN/GaN multiple quantum well light-emitting diodes [J].J.Appl.Phys., 2014, 116(18):183107-1-5.

[17] WU X M, LIU J L, JIANG F Y. Hole injection from the sidewall of V-shaped pits intoc-plane multiple quantum wells in InGaN light emitting diodes [J].J.Appl.Phys., 2015, 118(16):164504-1-4.

[18] LI C K, WU C K, HSU C C,etal.. 3D numerical modeling of the carrier transport and radiative efficiency for InGaN/GaN light emitting diodes with V-shaped pits [J].AIPAdv., 2016, 6(5):055208-1-10.

[19] SUN Q, YAN W, FENG M X,etal.. GaN-on-Si blue/white LEDs: epitaxy, chip, and package [J].J.Semicond., 2016, 37(4):044006-1-8.

[20] 江風益, 劉軍林, 王立, 等. 硅襯底高光效GaN基藍色發(fā)光二極管 [J]. 中國科學: 物理學 力學 天文學, 2015, 45(6):067302-1-18. JIANG F Y, LIU J L, WANG L,etal.. High optical efficiency GaN based blue LED on silicon substrate [J].Sci.SinicaPhys.,Mech.Astron., 2015, 45(6):067302-1-18. (in Chinese)

[21] LIU J L, FENG F F, ZHOU Y H,etal.. Stability of Al/Ti/Au contacts to N-polar n-GaN of GaN based vertical light emitting diode on silicon substrate [J].Appl.Phys.Lett., 2011, 99(11):111112-1-3.

[22] MAO Q H, LIU J L, WU X M,etal.. Influence of growth rate on the carbon contamination and luminescence of GaN grown on silicon [J].J.Semicond., 2015, 36(9):093003-1-4.

[23] LIU J P, RYOU J H, DUPUIS R D,etal.. Barrier effect on hole transport and carrier distribution in InGaN/GaN multiple quantum well visible light-emitting diodes [J].Appl.Phys.Lett., 2008, 93(2):021102-1-3.

[24] 趙芳, 張運炎, 宋晶晶, 等. 具有三角形InGaN/GaN多量子阱的高內(nèi)量子效率的藍光LED [J]. 發(fā)光學報, 2013, 34(1):66-72. ZHAOF, ZHANG Y Y, SONG J J,etal.. High internal quantum efficiency blue light-emitting diodes with triangular shaped InGaN/GaN multiple quantum wells [J].Chin.J.Lumin., 2013, 34(1):66-72. (in English)

[25] DAI Q, SCHUBERT M F, KIM M H,etal.. Internal quantum efficiency and nonradiative recombination coefficient of GaInN/GaN multiple quantum wells with different dislocation densities [J].Appl.Phys.Lett., 2009, 94(11):111109-1-3.

[26] YAMANE Y, FUJIWARA K, SHEU J K. Largely variable electroluminescence efficiency with current and temperature in a blue (In, Ga)N multiple-quantum-well diode [J].Appl.Phys.Lett., 2007, 91(7):073501-1-3.

[27] WATANABE S, YAMADA N, NAGASHIMA M,etal.. Internal quantum efficiency of highly-efficient InxGa1-xN-based near-ultraviolet light-emitting diodes [J].Appl.Phys.Lett., 2003, 83(24):4906-4908.

[28] QI Y D, LIANG H, TANG W,etal.. Dual wavelength InGaN/GaN multi-quantum well LEDs grown by metalorganic vapor phase epitaxy [J].J.Cryst.Growth, 2004, 272(1-4):333-340.

呂全江(1989-)，男，湖北隨州人，碩士研究生，2013年于中南林業(yè)科技大學獲得學士學位，主要從事硅襯底LED材料與器件方面的研究。

E-mail: lyuquanjiang@qq.com

莫春蘭(1976-)，女，江西吉安人，博士，副研究員，碩士生導師，2006年于南昌大學獲得博士學位，主要從事硅襯底LED材料與器件的研究。

E-mail: mclan@ncu.edu.cn

Effect of Quantum Well Structure on The Efficiency Droop of V-pits-containing InGaN/GaN Blue LED

LYU Quan-jiang, MO Chun-lan*, ZHANG Jian-li, WU Xiao-ming, LIU Jun-lin, JIANG Feng-yi

(National Institute of LED on Silicon Substrate, Nanchang University, Nanchang 330047, China)

*Corresponding Author, E-mail: mclan@ncu.edu.cn

V-pits-containing InGaN/GaN blue LEDs were grown on patterned Si substrate by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD). A carrier confinement quantum well(QW)with a larger band gap and a light-emitting QW with a slightly smaller band gap were grown by tuning growth temperature. The effect of QW structure on the efficiency droop performance of V-pits-containing InGaN/GaN blue LED was investigated with some means to mix the two different types of QW. LED epitaxial wafers and LED photoelectric properties were characterized by high-resolution X-ray diffraction and LED test system. For the novel quantum well structure in which the confinement QW close to the n-side and the light-emitting QW close to the p-side, the droop of the external quantum efficiency is only 12.7%, which shows a more significant improvement compared with other QW structures (16.3%, 16.0%, 28.4%). What’s more, only for this kind of structure, the internal quantum efficiency does not decrease sharply with the increasing of drive current at low temperature(T≤150 K). The results show that a reasonable design of QW structure can significantly improve the effective overlap of electron-hole pairs in V-pits-containing InGaN/GaN QWs, promote carriers interaction between wells, and then improve carriers matching degree, inhibit electron leakage, retard efficiency droop, and finally enhance the photoelectric properties of devices.

Si substrate; InGaN/GaN blue LED; efficiency droop; V-shaped pits; quantum well structure

1000-7032(2017)07-0923-07

2016-12-21；

2017-01-22

國家重點研發(fā)計劃重點專項(2016YFB0400600,2016YFB0400601)； 國家自然科學基金重點項目(61334001)； 國家自然科學青年基金(21405076)； 國家自然科學地區(qū)基金(11364034)； 江西省自然科學基金(20151BAB207053)； 江西省自然科學基金(20161BAB201011)資助項目 Supported by State Key Program of Research and Development of China (2016YFB0400600, 2016YFB0400601); State Key Program of National Natural Science of China (61334001); National Science Foundation for Young Scientists of China (21405076); Fund for Less Developed Regions of National Natural Science Foundation of China (11364034); Natural Science Foundation of Jiangxi Province (20151BAB207053); Natural Science Foundation of Jiangxi Province (20161BAB201011)

O484.4； TN383+.1

A

10.3788/fgxb20173807.0923