量子阱生長氣壓對InGaN/GaN黃光LED光電性能的影響

邱　岳，丁　杰，張建立，莫春蘭，王小蘭，徐龍權，吳小明，王光緒，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)

1　引　言

近年來，隨著光效的不斷提升，GaN基LED被廣泛地應用于顯示現象、交通信號燈、照明等領域。目前主流白光LED是基于藍光LED激發熒光粉轉化而成的，雖然其光電轉換效率已遠超白熾燈和日光燈，但光品質還不夠高，主要表現在顯色指數、色溫和光效之間難以協調發展，且因白光中短波長藍光占比過多，容易引起視覺疲勞。因此有必要發展一種光效和光品質均好的新技術，即顯色指數、色溫和光效之間能同步協調發展，且藍光占比合理，人眼視覺舒適。配色LED是解決上述問題的有效途徑，將不同顏色的高效LED混合形成白光可以獲得顯色指數、色溫和光效協調發展的高品質光源。這種配色LED的技術關鍵在于提高長波長LED的光效，尤其是黃光的光效。相對于藍光和綠光，黃光的禁帶寬度小，需要引入大量的InN調節帶隙［1］，過高的In組分會導致InGaN/GaN阱壘間晶格失配更大，由此產生的巨大的應力和相分離使得量子阱的晶體質量惡化［2］。有報道指出，InGaN/GaN量子阱的晶體質量是影響發光效率的重要因素，因為缺陷在一定程度上會影響GaN基LED的發光效率與可靠性［3-4］。因此，研究人員通過改變生長參數對晶體質量的改善進行了研究［5-12］。研究表明，生長氣壓對InGaN材料的晶體質量具有明顯影響［10］，同時導致材料的光學性能有所差異［11］。對于黃光LED，生長氣壓對于器件性能影響的研究尚未有報道。本文通過改變黃光LED量子阱的生長氣壓，研究了器件的結構特性與光電性能的變化。使用高分辨率X射線衍射儀(XRD)、熒光顯微鏡(FL)表征了不同生長氣壓下的量子阱厚度、界面質量和In的分布情況，結合電致發光特性(EL)對器件的光電性能進行了研究。

2　實　驗

本實驗通過自制MOCVD外延生長系統在圖形化硅襯底(111)面上生長外延薄膜材料，三乙基鎵(TEGa)、三甲基銦(TMIn)、氨氣(NH3)分別作為Ga源、In源和N源。圖1是外延層的結構圖。由下至上依次為Si(111)襯底、AlN緩沖層、n型GaN、27個周期的 InGaN/GaN超晶格、低溫GaN層、8個周期InGaN/GaN量子阱、p型AlGaN電子阻擋層、p型GaN層。

圖1　InGaN/GaN量子阱黃光LED結構示意圖

實驗中4個樣品A、B、C、D的量子阱的生長氣壓分別為 4，6.65，10，13.3 kPa。由于 GaN 薄膜的生長速率是隨反應室中壓力變化的，所以我們通過調整MO源的流量使每個量子阱周期厚度保持在16 nm左右。其他條件均保持一致。標準LED器件的制備過程已有報道［13］。

3　結果與討論

采用Instrument Systems公司生產的型號為CAS140CT的光譜儀和型號為ISP250-211的積分球，對InGaN/GaN量子阱黃光LED電致發光性能測試分析。圖2是4個樣品在300 K下的外量子效率(EQE)隨電流密度變化曲線。可以看出樣品A、B、C、D的EQE最大值依次升高，分別為 16.60%、23.07%、26.40%、27.66%。在小于效率最大值對應的電流密度(Jmax)時，樣品A、B、C的EQE依次升高，這是由量子阱中的缺陷數目決定的。在小于Jmax的電流密度下，載流子優先填充量子阱中的深能級缺陷，發生非輻射復合，樣品中缺陷數目越多，非輻射符合速率越大，同電流密度下EQE越低。所以，隨著量子阱生長氣壓升高，阱中缺陷數目逐漸減少，樣品A、B、C的EQE逐漸升高。當電流密度繼續增加時，非輻射復合逐漸達到飽和，缺陷少的樣品非輻射復合飽和對應的電流密度越小，所以樣品A、B、C的Jmax逐漸向小電流密度方向移動。本實驗中，氣壓的變化很可能對量子阱中的點在大于Jmax時，隨著電流密度增加4個樣品都出現了不同程度的droop，樣品D的droop效應相比樣品C更加明顯。在20 A·cm－2的工作電流下，樣品 A、B、C、D 的 EQE 分別為16.60%、19.77%、20.03%、19.45%。這是由于樣品的晶體質量越好時，量子阱中的載流子濃度較高且更早達到飽和，飽和后載流子容易溢出有源區，俄歇復合的幾率也會增加，導致隨電流密度增加droop效應加劇［14］。而樣品D的droop更加嚴重，可以歸結為界面質量降低造成效率下降。模糊的阱壘界面對載流子的限制能力不足，進一步降低了輻射復合的幾率［15］。在生長壓力較高時，反應腔內的氣體流速較慢，In的記憶效應更加明顯，生長阱壘界面時仍有少量In殘留在氣相中造成組分波動，導致生長的外延層表面形貌比較粗糙，阱壘界面模糊。

圖2　不同量子阱生長氣壓下，InGaN/GaN量子阱黃光LED的EQE隨電流密度變化曲線。

如前所述，本文中器件的EQE主要受到缺陷數目與阱壘界面質量兩方面的影響，隨著生長氣壓的升高，量子阱中缺陷數目降低，Jmax所對應的最大EQE增大，但同時阱壘界面隨著氣壓的升高而變差，對載流子限制作用減弱，從而會降低EQE。在較小電流密度下(Jmax以下)，缺陷引起的非輻射復合是影響EQE的主要因素，缺陷數目少則EQE高;在較大電流密度下(20 A·cm－2左右)，阱壘界面成為影響EQE的主因。在兩種影響因素的競爭下，10 kPa下所生長的樣品，在20 A·cm－2左右的工作電流下獲得了最優性能。為了證實以上論斷，我們進行了進一步的驗證。

圖3為使用Keithley公司生產的 Keithley 2635A恒流電源測試得到的4個樣品在正向偏壓下的I-V曲線。如圖所示，當電壓小于2.2 V時，在相同電壓下，樣品A、B、C的電流依次降低，樣品D與樣品C基本相同。在GaN基LED中，器件中存在的缺陷被認為是其主要的漏電通道，此時缺陷相當于與二極管并聯的電阻，電壓小于2 V時的電流大小主要與器件中的缺陷有關，而且缺陷越多，并聯電阻越多，相同電壓下的電流就越大。所以，當電壓小于2 V時，樣品A、B、C電流的依次降低表明了樣品中的缺陷依次減少，樣品的晶體質量逐漸提高。除前文提到的點缺陷外，In偏析形成的富In團簇相關缺陷也可能是導致漏電增加的原因。因此，樣品A、B、C、D正向漏電流依次降低的現象進一步證實了量子阱中的缺陷數目隨生長氣壓的升高而減少。

圖3　樣品 A、B、C、D在正向偏壓下的I-V曲線。

使用 Panalytical公司生產的型號為 X'Pret PRO的高分辨率X射線衍射儀對樣品A、B、C、D分別進行ω-2θ掃描，圖4是4個樣品的ω-2θ衍缺陷數目產生影響。量子阱生長氣壓偏低時，NH3的分壓較低，量子阱中會以N空位的形式形成大量點缺陷，而氣壓較高時，單位體積內有效N原子的濃度較高，富N的生長環境會有效降低N空位的形成。而樣品D的EQE與樣品C相近，電流密度大于0.07 A·cm－2小于 Jmax時，樣品D的EQE高于樣品A、B、C。而在電流密度小于0.07 A·cm－2時，樣品D的EQE小于樣品C，可能原因為:在晶體質量較好的情況下，局域態可以提升輻射復合效率阻止非輻射復合的發生，樣品C中局域程度較樣品D更大(后文數據會詳細說明)，小電流下載流子更容易被限制在局域態中發光，從而EQE更高。射峰曲線，圖中標出了GaN襯底峰(S)、量子阱的0級峰(QW 0)和衛星峰(QW ±1、QW ±2、QW ±3)、超晶格的0級峰和衛星峰(SSRL 0、SSRL±1)，其中QW 0代表外延層中多量子阱InGaN/GaN的平均晶格常數，樣品A、B、C、D的QW 0逐漸向GaN襯底峰靠近，說明4個樣品的量子阱中In組分略有降低。并且，樣品 A、B、C、D 的衛星峰 QW-1、QW-2、QW-3、QW-4峰間距近乎一致，說明4個樣品的阱壘周期厚度基本相同。將XRD測試結果結合商業化模擬軟件Jordan valley計算，樣品A、B、C、D的阱壘周期厚度依次為 17.150，16.151，15.716，16.009 nm，本實驗中每個量子阱周期厚度基本保持在16 nm左右。計算結果與衍射圖像一致。隨著量子阱生長氣壓的增大，InGaN/GaN量子阱的周期厚度基本一致，并入的In稍有減小。通過衛星峰的半峰寬可以判斷阱壘間的界面粗糙度，阱壘界面粗糙度越大，會使衛星峰展寬增大［16］。樣品A、B、C、D中，－1級衛星峰的半峰寬分別為121.9，136.4，144.2，148.5 arcsec。可見，隨著氣壓增大，阱壘界面質量逐漸降低，樣品A的界面最陡峭，而樣品D的界面最粗糙。

圖4　不同量子阱生長氣壓下的硅襯底InGaN/GaN量子阱黃光LED外延片的XRDω-2θ衍射峰曲線

圖5(a)為4個樣品的峰值波長隨電流密度的變化關系曲線。首先，樣品A的波長漂移最嚴重，樣品B、C次之，樣品D的波長漂移最小。影響波長漂移的可能機制有量子限制斯塔克效應(QCSE)和局域態效應。黃光量子阱中存在巨大的壓電場，會導致能帶傾斜，載流子注入量子阱后，傾斜的能帶使電子-空穴對發生空間分離，分別聚集在阱的兩側，形成的電場與壓電場方向相反。隨著載流子的注入，對壓電場的屏蔽作用加強使能帶傾斜減輕，有效禁帶寬度變大，所以波長會發生藍移，波長藍移程度與量子阱受到的應力大小有關。同時，局域態效應也會導致波長藍移，該理論認為富In區域勢能更低會形成局域態。小電流密度下，載流子被限制在局域態中，因此能級較低的深局域態先發光，In組分較高的樣品中存在的局域態更深，發光波長更長，因此樣品A在小電流下的峰值波長更長，B、C次之，D最短。當電流密度增大時，局域態中的載流子逐漸達到飽和，并開始填充更高能級，所以導致了峰值波長的藍移，而載流子的局域效應越明顯，波長的藍移程度越大。

圖5　不同氣壓下生長的InGaN/GaN量子阱黃光LED的峰值波長隨電流密度變化曲線(a)和半峰寬隨電流密度變化曲線(b)

圖5(b)為半峰寬隨電流密度變化曲線，在電流密度小于 10 A·cm－2時，樣品 A、B、C、D 的半峰寬依次降低，這種變化規律也可能是QCSE和局域態效應導致的。由于載流子優先填充傾斜能帶的底部，能帶傾斜程度越大，在電流密度較小時半峰寬變化也越明顯。考慮到局域態效應，小注入情況下，不同能級深度的局域態共同參與發光，載流子填充的局域態程度越深，相應的半峰寬也會越大。

為了進一步判斷導致波長漂移與半峰寬變化的原因，研究量子阱的應變情況，掃描了4個樣品GaN(105)對稱的倒易空間mapping，見圖6。圖中紅色虛線交叉中心為GaN對應的倒易空間位置，下方靠近GaN處黑色實線交叉中心為量子阱中InGaN的對應位置，根據Qx方向的偏移量，可以計算InGaN在a軸方向上的晶格弛豫量［2］。通過計算，在樣品 A、B、C、D 中，GaN與InGaN對應的倒易空間位置偏移量基本相同，說明4個樣品量子阱中所受應變基本一致。QCSE與圖6中觀察到的現象矛盾，局域態效應可能是引起波長漂移的主要原因。

圖6　(105)對稱倒易空間mapping局部放大圖

圖7　420～490 nm密集光源激發的熒光顯微圖像。(a)樣品A;(b)樣品B;(c)樣品C;(d)樣品D。

為了進一步觀察量子阱中In的分布情況，使用Nikon C-HGFI熒光顯微鏡系統對樣品進行觀察。如圖7所示，在420～490 nm波長激發下，4個樣品的圖像中均可以觀察到黃光相和綠光相相間的形貌，樣品A中可以觀察到大量的黑點，隨著氣壓的增大，樣品A、B、C、D中的黑點數量顯著減少。這是由于氣壓較低時，樣品A的量子阱中In組分高且分布不均勻，這些In原子會在薄膜樣品的表面成核或形成小的富In團簇，在量子阱中形成組分不均一的富In局域態［17］。由此可知，低壓生長的外延薄膜中In團簇較多，高壓生長的外延薄膜中In團簇較少。隨著氣壓增大，樣品中In含量減小，顆粒更加均勻，晶體質量有所提升。綜上所述，通過局域態模型可以很好地解釋波長漂移與半峰寬的變化，在4～13.3 kPa范圍內，量子阱的生長氣壓越小，波長漂移越明顯，半峰寬越大，這可能是黃光量子阱中的高In組分存在偏析。樣品A、B、C、D的波長漂移量與半峰寬的變化代表了樣品中局域態的多少，與熒光顯微鏡(FL)觀測的形貌結果一致。

4　結　論

本文研究了MOCVD不同量子阱生長氣壓對InGaN/GaN黃光LED光電性能的影響。結果表明，隨著量子阱生長氣壓的升高，In的并入量稍有降低且均勻性更好，量子阱中的In團簇和N空位等缺陷數目減少，晶體質量逐步提升，光學性能和正向電學性能也有提高。但是隨著氣壓增大阱壘間的界面質量也會降低，使得界面對載流子的限制作用減弱，加劇電流droop效應，使器件在大電流下的EQE有所降低。在實驗選取的4，6.65，10，13.3 kPa 氣壓下，EQE 的最大值分別為16.60%、23.07%、26.40%、27.66%，隨著量子阱生長氣壓的上升而升高，而13.3 kPa生長的樣品在大電流下(＞Jmax)的EQE隨電流droop效應有所加劇。在20 A·cm－2的工作電流下，樣品 A、B、C、D的 EQE分別為16.60%、19.77%、20.03% 、19.45%。綜合來看，10 kPa生長的樣品在工作電流密度下性能最優。