MOCVD生長高質量InGaN/AlGaN MQW紫光LED的研究

唐健江 劉波波 楊建鋒 白俊春

【摘 要】本文利用LP MOCVD系統生長了InGaN/AlGaN MQW紫光LED外延片、并使紫光LED外延的產業化。通過XRD、PL、EL等測試手段對其性能進行表征。結果表明， 室溫光致發光譜的峰值波長為380-400 nm之間，XRD測試半高寬FWHM為17.34 nm波長均勻性良好。制成的LED管芯，正向電流20mA時，EL測試正向電壓Vf小于3.4V，反向電壓Vz大于18V，亮度大于1.9mcd，漏電流小于0.02mA。并研究了Al摻雜壘含量對MQW紫光LED發光效率的影響，當Al含量為5%時，得到的多量子阱結構的晶體質量最佳。隨著Al含量的繼續增加，晶體質量下降和正向電壓變小，同時發光效率也降低。

【關鍵詞】InGaN/AlGaN；多量子阱；紫光LED；MOCVD

中圖分類號：TN383，O484.4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）13-0177-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.13.081

0 前言

GaN是一種直接寬帶隙、強原子鍵、高電子飽和速率和高熱導率的半導體材料，可用來制備高穩定、長壽命、耐腐蝕、耐高溫、耐輻射的短波長、大功率器件，如LED，LD，FET，紫外光電導傳感器，反射濾波器等[1-2]。InGaN基紫及紫外光LED在生產和生活的各個領域有著廣泛的應用[3-4]，典型的如氮化物白光LED照明燈，早期的白光LED采用藍光LED激發黃光熒光粉，而最近的研究表明，采用紫及紫外光LED激發紅綠藍熒光粉，可以使白光色度更均勻，并且具有更高的轉換效率。國內外學者，采用ELO、LEPS、MOCVD等技術，已成功研制出紫及紫外光LED[5-6]。李忠輝[16]等利用LP MOCVD 系統在藍寶石（α-Al2O3）襯底的（0001）面上生長了InGaN/GaN MQW紫光LED 結構，光致發光測試表明，該結構的峰值波長為 399.5nm，FWHM為15.5nm，制成350μm×350μm的LED管芯后，正向注入電流為20mA時，正向工作電壓在4V以下。目前的研究仍處于試驗階段，各項性能不佳。此外，紫光LED的 In含量比較低，由于對位錯密度敏感，不易實現高功率輸出。

本文將利用LP MOCVD系統生長InGaN/AlGaN MQW紫光LED外延片，促使紫光LED外延的產業化。通過XRD、PL、EL等測試手段對其性能進行表征。研究了Al摻雜濃度對MQW紫光LED性能的影響規律，Al含量的繼續增加，晶體質量下降和正向電壓變小，同時發光效率也降低。

1 實驗

利用LP MOCVD系統在藍寶石（α-Al2O3）PSS襯底的（000l）面上外延生長InGaN/AlGaN MQW LED結構。分別以藍氨和高純三甲基銦（TMIn）、三甲基鎵（TMG a）為N，In，Ga源，SiH4和Cp2Mg分別作為n，p型摻雜劑。生長過程如下：1080 ℃高溫處理襯底，經氮化后，降溫至550℃生長25nm的GaN緩沖層，升溫到1040℃使緩沖層重新結晶，Si摻雜的n-GaN層（厚度3μm），生長3個周期的不摻雜的超晶格，8個周期的InGaN/AlGaN（阱層InGaN厚度2.5nm，壘層AlGaN厚度10nm），生長P-AlGaN厚度8nm，Mg摻雜的P-GaN層（厚度14μm）。外延完成后，在N2氣氛中700 ℃對外延片進行退火，30min。測試采用Xpert Pro PANalytical，掃描速度0.02°/s。光電性能及測試采用EL設備MPI prober-LEDA-8F-E3G plus，波長測試PL采用nanometrics rpm 2000，使用激光器波長為266nm、掃描速率30die/s。

2 結果與討論

2.1 XRD分析

圖1所示為壘摻雜不同Al含量的InGaN/AlGaN MQW紫光LED結構（0002）X射線衍射譜阱層InGaN 厚度為2.5nm， In組分約為17%，壘層AlGaN厚度為10nm。X射線衍射曲線半高寬是表征材料結晶品質的重要參數，（0002）X射線衍射搖擺曲線半高寬是GaN外延膜中位錯密度的很好量度[7]。從圖中可以看出，不同Al摻雜的InGaN/AlGaN MQW均出現了2級星峰，表明多量子阱結構的晶體質量較好。當Al含量為3%和4 %時，主相GaN的峰很明顯，但二級峰InGaN不是很明顯。隨著Al含量的增加到5%時，除了GaN主峰外，二級衍射峰InGaN的強度逐漸增加，并達到最大。當Al含量的增加到6%時，InGaN的強度逐漸減小。壘摻雜Al有效降低MQW的內應力，從而提高電子空穴對的復合效率，內量子效應顯著提高。當Al含量過量時，出現Al的析出，同時會改變InGaN/AlGaN固溶體的結構，而起到反向作用導致晶體質量下降。綜上所述，當壘摻雜Al含量為5%時得到的多量子阱結構的晶體質量最佳。

表1為不同Al摻雜生長InGaN/AlGaN MQW紫光LED外延片的（002）和（102）晶面的X射線雙晶衍射掃描半峰全寬（FWHM），每個樣品測試中間和邊緣位置2個點。從表1中可以看出不同Al摻雜外延片的（002）和（102）雙晶衍射半峰全寬值均小于350，數值越小，表明樣品的結晶性能也越好，測試結果和XRD搖擺曲線測試結果一致。

2.2 PL波譜分析

圖2所示為不同Al摻雜生長InGaN/AlGaN MQW 紫光LED外延片的室溫光致發光譜（PL）。由圖可知，InGaN/AlGaN MQW紫光LED外延片的峰值發光波長大約為380-400 nm之間，波長均勻性較好。PL波峰強度隨Al摻雜量的增加先增加后減小，當Al含量為5 %時，測試的PL波峰強度最高為0.75 mV，波長為386 nm，這主要由于Al摻雜使得MQW的勢壘高度增加，從而有效地抑制了注入電子的溢出，量子效率大大提高。當Al摻雜量達到6%時，PL波峰強度又開始降低，同時波峰位置偏移，這說明隨著Al摻雜量增大，MQW的峰值發光波長減小，禁帶寬度增加。

2.3 性能分析

表2所示為不同摻雜試樣在正向電流20mA時的EL測試結果，從表中可以看出隨Al含量的增大正向電壓Vf先增加后減小，而且摻雜量為5%時Vf達到最大為3.36V。和沒摻雜的試樣相比較，Al摻雜的試樣波長出現了藍移，亮度隨著Al含量的增加基本趨勢是減小的，這主要是因為測試儀器以可見光為吸收對象，隨著Al含量的增加發光波長藍移，發出的光中紫外光譜的含量逐漸增加，而可見光成分減小。隨Al含量的增大，反向電壓Vz和正向電壓Vf變化趨勢一致，先增加后減小，當摻雜量為5%時Vz達到最大為20.40V。漏電流IR隨Al含量的增加先減小后增大，當Al含量達到5%時，最小為0.01mA。漏電流形成原因是隧道電流[8]。空間電荷區內缺陷形成的電流通道會增加隧道電流，而Si和Mg的高摻雜使電子從n-GaN的價帶隧穿到p-GaN的導帶會被雜質能級俘獲而形成隧道電流，所以量子阱結構的晶體質量是決定漏電流大小的主要原因。

3 結論

本文利用LP MOCVD系統生長了 InGaN/AlGaN MQW紫光LED外延片、并使紫光LED外延的產業化。通過XRD、PL、EL等測試手段對其性能進行表征。結果表明， 室溫光致發光譜的峰值波長為380-400nm之間，XRD測試半高寬FWHM為17.34nm波長均勻性良好。制成的LED管芯，正向電流20mA時，EL測試正向電壓Vf小于3.4V，反向電壓Vz大于18V，亮度大于1.9mcd，漏電流小于0.02mA。并研究了Al摻雜壘含量對MQW紫光LED發光效率的影響，當Al含量為5 %時，得到的多量子阱結構的晶體質量最佳。壘摻雜Al有效降低MQW的內應力，從而提高電子空穴對的復合效率，內量子效應顯著提高。隨著Al摻雜量增大，MQW的峰值發光波長減小，禁帶寬度增加。

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