載流子復合機制對InGaN多量子阱藍光LED調制帶寬的影響

楊 杰， 朱邵歆， 閆建昌， 李晉閩， 王軍喜

(1. 中國科學院大學 材料科學與光電技術學院， 北京 100049；2. 中國科學院半導體研究所 半導體照明研發中心， 北京 100083； 3. 中國電子信息產業發展研究院 集成電路研究所， 北京 100846)

1 引 言

以發光二極管(LED)作為光源的半導體照明技術正在不斷改變人們的生活。LED除了具有節能環保和色彩飽和度高等優點，還由于是電子器件，所以比傳統光源的開關速度更快，可以通過信號調制實現可見光波段的無線通信[1-2]。與傳統射頻無線技術相比，可見光通信技術可利用帶寬高，具有更高的安全性和私密性，不產生電磁干擾，也無需相應頻段的許可授權，能夠以較低的成本實現高帶寬高速率的無線通信接入，具有很好的空間復用性，極大地拓展了網絡的覆蓋面，是對現有射頻技術的很好補充[3]。

實現高速率、高質量可見光通信的關鍵在于提升LED光源的調制速度。這就需要從LED的外延結構出發，深入分析影響LED調制特性的物理因素。

目前GaN基藍光LED研究和設計的關注點集中在提升亮度和光效[4-7]。由于黃光熒光粉的響應速度很慢，商用熒光粉白光LED的調制帶寬非常低，通常只有幾MHz，使用濾光片過濾黃光后的藍光LED調制帶寬只有十幾MHz[8]。LED的調制速度與LED的載流子復合壽命和電容有關[9-16]。對于藍光GaN基LED，常用的多量子阱結構(MQWs)包括GaN量子壘和InGaN量子阱。LED輻射復合速率、光效、發光波長、熱穩定性及可靠性等重要指標均與MQWs密切相關[17-19]。本文通過設計InGaN多量子阱LED有源區結構，研究了載流子復合機制對LED調制速度的影響。

2 實驗和結果討論

2.1 調制帶寬測試系統

調制帶寬測試系統如圖1所示，系統的核心是網絡分析儀(Agilent E5061B)。通過偏置器Bias-T(Mini-Circuits ZFBT-4R2GW+)將網絡分析儀的正弦波信號加載在直流電源中，然后將其接入待測試的LED上。LED發出的光信號被光電探測器(Newport818-BB-21A)接收并返回至網絡分析儀，網絡分析儀對比分析接收和發射信號后可得到頻率響應曲線，進而得到LED的3-dB調制帶寬。

圖1 LED調制帶寬測試系統結構示意圖

Fig.1LED modulation bandwidth measurement system set up diagram

2.2 量子阱寬度對調制帶寬的影響

通過改變量子阱中InGaN層的生長時間來改變量子阱的寬度，得到兩個量子阱寬度不同的LED A和LED B。

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

圖2 不同量子阱寬度的LED A和B外延結構圖

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

LED外延片通過傳統的臺面工藝制成LED芯片，使用銦錫氧化物(ITO)透明導電層作為電流擴展層，使用Cr/Pt/Au作為正負電極材料。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接入調制帶寬測試系統，測量頻率響應曲線，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的歸一化頻率響應曲線；(b) LED B的歸一化頻率響應曲線。

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載流子復合模型解釋以上現象。MQWs的ABCD模型是對ABC模型的補充，該模型考慮了氮化物LED中的載流子泄露項[20-21]，并以高次項描述了載流子泄露，其表達式如下：

R(n)=An+Bn2+Cn3+Dn4，

(1)

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

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的調制速度與載流子復合壽命有如下關系：

(2)

而載流子復合壽命τ與復合速率R(n)的關系如下：

(3)

結合式(2)可以得到

(4)

LED的3-dB帶寬與LED的復合機制關系密切，與LED復合過程中各復合機制所占的比例相關。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，兩種LED中SRH復合占了比較大的成分，所以兩者的調制帶寬差別不大；當電流加大時，由于窄量子阱LED中電子和空穴波函數的重疊幾率更高，所以其擁有更高的輻射復合系數，因而輻射復合項所貢獻的調制速率更高；繼續增大電流，一方面俄歇復合開始發揮作用，另一方面由于窄量子阱中可供復合的量子態較低，所以電子更容易溢出量子阱而漂移到p型區形成泄露，使載流子泄露導致的復合過程成為重要的復合機制，導致窄量子阱的復合速率增加，其調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相對于具有窄阱的LED A來說，具有更大的空間，即有源區中限制的載流子濃度相對較低(寬阱LED的droop效應不是很嚴重也證實了這一論點，如圖4(a)所示)，所以LED B的復合速率要低于LED A，故根據公式(4)，其3-dB帶寬也低于LED A。

2.3 量子壘高度對調制帶寬的影響

為了研究量子壘高度對LED調制速度的影響，本實驗通過將MQWs中GaN量子壘更換為InGaN量子壘，即在生長GaN量子壘時往MOCVD反應腔中通入少量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%。

外延結構與條件與量子阱實驗類似：使用MOCVD系統在c面藍寶石襯底外延生長，襯底在1015℃下使用氫氣清潔表面，然后在650℃下生長30nm的GaN buffer層，經過高溫退火后先后生長2.5μm的本征GaN層和3μm的Si摻雜n型GaN層；隨后，生長GaN/InGaN多量子阱作為有源區，量子壘的生長時間為4min(約10nm)，量子阱生長時間為2.5min(約3.5nm)；MQWs生長完畢后繼續在900℃下生長12min(約150nm)的p型GaN層。LED A、B、C除了生長量子壘時的In源流量不同，其余條件一致。3個LED的結構示意圖如圖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。

測試3個LED的頻率響應，得到如圖6(a)、(b)、(c)所示的頻率響應曲線。在20，50，80mA時，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LED A、B和C的3-dB帶寬隨電流變化的對比圖。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外延結構示意圖。

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

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復合模型可以看出，隨著注入電流的增加，載流子濃度增加，導致LED的復合速率增加，所以LED的調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效應得到顯著緩解，提高了量子阱中電子與空穴的空間波函數重疊幾率，提高了輻射復合速率，如圖7所示，LED B的droop效應相對于LED A有所緩解，這也證實了上述論點；另一方面由于InGaN量子壘的In組分只有1%，對勢壘高度的改變不明顯，所以載流子溢出所導致的電子泄露復合機制所占比重與LED A相比相差不大，所以根據公式(4)，LED B的調制速度高于LED A。

當增加InGaN量子壘中的In組分至5%時，由于此時InGaN量子壘的勢壘較低，所以對載流子的限制作用顯著降低，即有源區中載流子濃度大大減小，載流子溢出導致的電子泄露復合成為重要的復合機制；另一方面，由于InGaN量子壘的材料質量也較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復合機制中與缺陷相關的SRH復合的比重提高。也就是說量子阱內的輻射復合機制一直沒有成為主要的復合機制，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，對于LED C，電流較小時，由于SRH復合系數A的值較高，所以缺陷導致的SRH非輻射復合所占比重較大，而在電流增大時，量子壘勢壘的降低導致的電子泄露加劇，導致LED的復合機制主要是缺陷輔助的俄歇復合和電子泄露復合，由公式(1)，這兩種復合機制與載流子濃度分別呈三次方和四次方關系，復合速率非常高，使得LED C的調制帶寬顯著高于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 論

本文通過設計不同的多量子阱結構研究載流子復合機制對LED調制帶寬的影響。對于MQWs中量子阱寬度對調制速度的影響，由于窄量子阱LED的電子空穴空間波函數的重疊幾率更高，且載流子泄露效應更顯著，所以其載流子復合速率更快，調制速度更高。對于MQWs中量子壘高度對調制速度的影響，使用不同In組分的InGaN作為量子壘，當In組分為1%時，InGaN量子壘提高了輻射復合速率，所以調制帶寬高于GaN量子壘LED；當In組分為5%時，電子泄露復合機制占據主要地位，且晶體缺陷導致的SRH復合和俄歇復合比重較大，而電子泄露復合和俄歇復合的復合速率都很高，所以LED的調制速度顯著提高。

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