電子阻擋層Al組分對Si襯底GaN基黃光LED內量子效率的影響

胡耀文， 高江東， 全知覺， 張建立， 潘 拴， 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 330096)

1 引 言

近年來，GaN基高效發光二極管(LED)在背光照明、陣列投影和道路照明等領域備受關注[1-4]。盡管藍光LED因其極高的發光效率已經商用，但無論GaN體系還是GaP體系都很難獲得高光效黃光LED，這一現象被稱為“黃光鴻溝”[5-6]。在GaN體系黃光LED中，量子阱In組分一般在30%～40%，如此高In含量的量子阱，其生長溫度一般會低于760 ℃，這樣過低的生長溫度將嚴重降低量子阱晶體質量。另一方面，量子阱中In含量越高，壓電極化電場越強，這會加劇量子阱中電子和空穴波函數的空間分離，嚴重降低器件的發光效率[7-8]。

目前，商用GaN基LED一般使用Mg作為受主雜質以獲得p型GaN，但是由于Mg激活能以及離化能較大，即使采用1×1020cm-3的高濃度Mg摻雜，實際獲得的空穴濃度也很難超過1×1018cm-3，而n型GaN中電子濃度可達5×1018cm-3。此外，GaN材料中電子遷移率遠高于空穴遷移率，因此GaN基LED中有源區容易產生大量的電子溢出到p層現象，導致光效隨電流密度的增加而迅速下降[9-10]。目前商用GaN基LED一般采用AlGaN在p-n結處作為電子阻擋層(EBL)以阻擋電子溢出有源區，但是EBL也會阻礙空穴進入有源區，即會降低空穴的注入效率[11]。因此，優化EBL結構以提高空穴注入效率是值得研究的。

在使用MOCVD法生長GaN基LED外延薄膜時，由于InGaN量子阱的生長溫度較低，會在薄膜的線位錯周圍形成一種呈倒六棱錐體的缺陷，因斷面為V字形一般稱其為V形坑。Quan、Li等從理論上證實了V形坑側壁面因其為半極性面特性，可作為空穴進入有源區的有效途徑，從而使空穴避開極性面AlGaN電子阻擋層的高勢壘，使空穴更容易進入靠近n層的量子阱中，提升載流子在有源區的均勻性，使量子阱中電子與空穴的輻射復合率大幅度提升，從而提高光效[12-13]。

硅襯底氮化鎵基黃光LED一般具有雙層電子阻擋層設計，按生長次序分為EBL-1與EBL-2。由于電子阻擋層的生長在V形坑修復之前，在V形坑側壁處也會生長傾斜的EBL[14]，而其中EBL-1更接近量子阱可能更容易影響載流子中空穴的注入。

結合上述分析，本文欲通過改變EBL-1中Al組分來加大平臺區域對空穴阻擋的勢壘高度，進而促進更多的空穴從勢壘高度更低的V形坑側壁注入到量子阱中。并利用Silvaco公司開發的Atlas進行數值模擬研究，從理論上探究其中的物理機理[15]。

2 實驗與器件仿真

2.1 實驗

實驗使用的3組樣品均由南昌大學自行研制的高噴淋頭MOCVD生長設備制備。使用5.08 cm(2 in)圖形化Si(111)襯底，三甲基鎵(TMGa)、三乙基鎵(TEGa)、三甲基銦(TMIn)、三甲基鋁(TMAl)、氨氣(NH3)、二茂鎂(Cp2Mg)、硅烷(SiH4)分別作為Ga源、In源、Al源、N源、Mg源和Si源，氫氣(H2)、氮氣(N2)作為載氣，薄膜生長方向為〈0001〉。圖1是樣品外延層結構示意圖，由下至上依次為圖形化Si(111)襯底，120 nm的AlN緩沖層，2.8 μm的n型GaN層，32個周期的In0.08GaN(5 nm)/GaN(2 nm)超晶格，10 nm的低溫GaN層，7個周期的In0.33GaN(2.5 nm)/GaN(13 nm)量子阱壘，第8個周期量子阱壘為In0.33-GaN(2.5 nm)/GaN(7 nm)，隨后是6 nm的AlxGaN(1-x)非故意摻雜電子阻擋層(EBL-1)，4 nm的p型Al0.2Ga0.8N電子阻擋層(EBL-2)，130 nm的p型GaN。其中在n型GaN生長完成后樣品表面平整，在InGaN/GaN超晶格生長過程中樣品表面會形成V形坑，最后在p型GaN生長過程中V形坑會被GaN填充直到樣品表面重新變為平整。

圖1 3組實驗樣品外延結構圖

Fig.1 Schematic epitaxial structure for our investigated three samples

3組樣品A、B、C結構設計上的唯一區別在于EBL-1中Al組分不同，分別為20%、50%和80%，使用硅襯底GaN基黃光LED芯片工藝將外延片制備成器件[16]。使用Keithley 2 635 A直流電源、IS ISP250-110積分球和IS CAS140CT光譜儀對樣品電致發光光效進行表征。

2.2 器件仿真

采用半導體仿真軟件Silvaco Atlas對實驗中的樣品進行器件仿真研究。主要應用的物理模型包括纖鋅礦能帶模型、載流子漂移擴散模型、不完全離化模型、Shockley-Read-Hall復合模型、俄歇復合模型、一般輻射復合模型。其中輻射復合系數設置為2×10-11cm3·s-1，俄歇復合系數設置為6×10-30cm6·s-1。由于EBL中不同Al組分晶體生長質量的差異，3組樣品Shockley-Read-Hall(SRH)復合中載流子壽命分別設置為12，12，2 ns，所有參數均在已有報道的合理范圍內[13,17-19]。

圖2 (a)樣品B的V形坑及附近量子阱的透射電鏡(TEM)測試結果；(b)硅襯底GaN基黃光LED相應仿真結構截面示意圖。

Fig.2 (a) Transmission electron microscopy(TEM) test results of V-shaped pits and nearby quantum wells sample B. (b) Schematic cross-section of the corresponding simulation structure of GaN-based yellow LED on silicon.

3 結果與討論

圖3為3個樣品的實際測試和仿真軟件得到的電致發光下內量子效率(IQE)-電流密度曲線。從實驗結果可知，3個樣品IQE最高點分別為56.7%@1.5 A·cm-2、55.9%@2 A·cm-2和28.5%@5.5 A·cm-2。特別是在樣品C中，內量子效率下降更為明顯。值得注意的是，仿真與實際測試結果均顯示：小電流密度下，樣品B的IQE低于樣品A；而大電流密度下，樣品B的IQE高于樣品A。圖3(b)中，虛線為樣品C不考慮生長高Al組分EBL-1帶來的晶體質量變差的模擬結果(采用SRH復合中載流子壽命12 ns)。虛線模擬結果表明，若不考慮晶體質量變差，那么大電流下，樣品C的IQE最高。而藍色實線則是考慮樣品C生長80% Al組分EBL-1帶來的晶體質量的影響，并減小仿真模型中載流子壽命(SRH復合中載流子壽命2 ns)。其模擬與實際測試結果均顯示樣品C具有最低的內量子效率。生長80% 高Al組分EBL-1層不僅會使得該層晶體質量變差，C污染增多、后續p層Mg激活變得困難等問題都會降低其內量子效率。因此，樣品C仿真僅考慮改變SRH復合中載流子壽命而得到的IQE結果仍會與實際測試結果有一定差距。

圖3 (a)樣品A和B的測試和仿真內量子效率(IQE)；(b)樣品C的測試和仿真內量子效率(IQE)。所有樣品在35 A·cm-2下測得主波長為565 nm。

Fig.3 Tested and simulated internal quantum efficiency (IQE) for sample A， B(a) and C(b). The tested dominant wavelengths of samples are all 565 nm at 35 A·cm-2.

為了探究在大電流情況下，樣品B的IQE效率高于樣品A這一現象的原因，本文對仿真結果中3個樣品的量子阱中空穴濃度分別進行分析。圖4是3個樣品在35 A·cm-2電流密度下空穴濃度分布圖(樣品C的SRH復合中載流子壽命為2 ns)。從左至右依次是n型GaN一側的1st量子阱至p型GaN一側的8th量子阱。從圖中可以看出，樣品A對應的8th量子阱中空穴濃度最多，樣品B對應的8th量子阱中空穴濃度較少，樣品C對應的8th量子阱中空穴濃度最低。可能是因為EBL-1中Al組分的增加，使8th量子壘GaN與EBL-1中壓電極化場增加，價帶勢壘升高，導致空穴濃度降低。從圖4中可以看出，隨著EBL-1中Al組分增加，具有最高空穴濃度的量子阱更傾向于靠近n型GaN一側，且空穴濃度在每個量子阱中分布得更為均勻。值得注意的是，樣品B和樣品C的前7個量子阱的空穴濃度均超過了樣品A。

圖4 在電流密度35 A ·cm-2下，3個樣品的(0001)多量子阱中空穴濃度的仿真結果對比。

Fig.4 Calculated hole concentrations of (0001) multiple quantum wells of three samples at 35 A·cm-2

表1 3個樣品Hc和Hv計算結果以及測試和仿真IQE(@20 A·cm-2)值

小電流下，由于EBL-1價帶勢壘高度隨著EBL-1中Al組分提高逐漸增高，空穴注入難度加大，3個樣品內量子效率隨著EBL-1中Al組分提高而降低。但是在大電流下(不考慮生長高Al組分EBL-1帶來的晶體質量變差的影響)，空穴更容易從V形坑側壁注入至量子阱中。量子阱有源區具有更多的空穴，從而內量子效率隨著EBL-1中Al組分增加而提高。

而實驗測試中樣品C相比于樣品B，其內量子效率有所下降，主要歸結為其EBL-1中Al組分過高導致晶體質量大幅度下降，更多的Al組分也會導致更多的C雜質進入AlGaN[24]，繼而影響其后生長的p型GaN晶體質量，對空穴傳入造成不利影響。空穴濃度下降，從而嚴重降低內量子效率。

4 結 論

從實驗和仿真兩方面分析了EBL-1中Al組分對GaN基黃光LED內量子效率的影響，并獲得了與實際測試非常接近的內量子效率仿真結果。實驗結果表明，當EBL-1中Al約為50%時，其LED內量子效率最高。仿真結果表明，隨著EBL-1中Al組分增加，空穴更容易從V形坑側壁注入至更深的量子阱有源區中，使空穴在多量子阱有源區中的分布更為均勻，能夠有效提升內量子效率。然而，EBL-1中Al組分過高，會導致EBL-1的晶體質量降低并影響后續p型GaN晶體質量，使空穴濃度下降，導致內量子效率急劇下降。綜上所述，EBL-1中Al組分約為50%最有利于GaN基黃光LED內量子效率的提高。