不規(guī)則H 形量子勢壘增強(qiáng)AlGaN 基深紫外發(fā)光二極管性能

魯 麟郎 藝許福軍郎 婧M SADDIQUE A K呂 琛裴瑞平王 莉王永忠代廣珍

(1.安徽工程大學(xué)高端裝備先進(jìn)感知與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽蕪湖 241000；2.安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，安徽蕪湖 241000； 3.北京大學(xué)物理學(xué)院寬禁帶半導(dǎo)體研究中心，北京 100871；4.安徽工程大學(xué)外國語學(xué)院，安徽蕪湖 241000)

1 引 言

作為一種重要的三元氮化物合金，AlGaN具有較高的電子飽和速率、介電常數(shù)和耐高溫等特性[1]。此外，它是禁帶寬度在3.4～6.2 eV之間連續(xù)可調(diào)的直接帶隙半導(dǎo)體[2]，其范圍幾乎覆蓋整個(gè)紫外光譜。近年來，AlGaN基深紫外發(fā)光二極管(LED)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、生物醫(yī)學(xué)、日常消毒、水和空氣凈化、光治療等方面呈現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用潛力[3]，因此是當(dāng)前國際研究熱點(diǎn)領(lǐng)域。

在AlGaN材料中，電子濃度一般相對(duì)較高且遷移率較高，而空穴很難實(shí)現(xiàn)高濃度，并且遷移率較低，導(dǎo)致在有源區(qū)呈現(xiàn)非對(duì)稱分布[4]。而且空穴從p區(qū)向n區(qū)輸運(yùn)比較困難，這使得空穴在靠近p區(qū)的阱中濃度較高，離p區(qū)越遠(yuǎn)的阱中空穴濃度越低。除此之外，電子泄露也是深紫外LED器件中非常嚴(yán)重的問題。因而有效地平衡載流子注入的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的機(jī)理研究顯得極為重要[5]。而為克服這個(gè)嚴(yán)重的載流子注入平衡問題，目前國際上提出了一些新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，比如組分漸變的電子阻擋層[6]、多層的量子勢壘[7]、組分漸變的量子勢壘等[8-10]，因此，探索新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是提高器件性能的重要途徑。針對(duì)AlGaN基多量子阱中電子阻礙效應(yīng)和空穴有效注入問題，本研究工作中采用了一種不規(guī)則H形量子勢壘策略，以平衡載流子的運(yùn)輸。本文通過APSYS[11]軟件進(jìn)行二維數(shù)值模擬計(jì)算，并對(duì)其物理機(jī)制進(jìn)行了分析和討論。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)設(shè)置

圖1展示了本研究中所用的兩種不同結(jié)構(gòu)，為便于分析，除量子阱有源區(qū)組成不同外，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)保持一致。圖1(a)所示的結(jié)構(gòu)從最底層c平面的藍(lán)寶石開始，上面是1.5 μm厚的AlN緩沖層和0.5 μm的n型Al0.55Ga0.45N。有源區(qū)由5對(duì)量子阱組成，其中2.3 nm厚的Al0.37Ga0.63N量子阱和10 nm厚的n型摻雜濃度為1.0×1018cm-3的AlGaN量子壘，最后一層量子壘是20 nm厚的非摻雜Al0.5Ga0.5N。隨后是10 nm厚的Mg摻雜濃度為1.0×1019cm-3的AlGaN電子阻擋層和50 nm厚、p型摻雜濃度為1.0×1018cm-3的 Al0.5Ga0.5N，最后是150 nm厚的摻雜濃度為1.0×1018cm-3的 p-GaN。圖1(c)所示為新型不規(guī)則H形量子壘結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)B)。其中的有源區(qū)是由 n-Al0.55Ga0.45N(2.5 nm)/Al0.5Ga0.5N(5.5 nm)/Al0.6Ga0.4N(2 nm)組成。最后一層量子壘是由Al0.55Ga0.45N(2.5 nm)/Al0.5Ga0.5N(17.5 nm)組成。上述器件結(jié)構(gòu)能通過金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)(MOCVD)進(jìn)行外延生長實(shí)現(xiàn)，建議的生長條件是：AlN在1 250℃ 溫度下以1 μm/h的速度進(jìn)行生長。n-AlGaN和量子阱區(qū)分別在1 150℃和1 080℃下生長，具體細(xì)節(jié)已在我們以往的研究工作中進(jìn)行了詳細(xì)描述[12]。

本文采用自洽6能帶k·p理論計(jì)算能帶結(jié)構(gòu)和波函數(shù)[13]。為了簡化模擬，俄歇復(fù)合系數(shù)和SRH壽命分別設(shè)為1×1030m-6·s-1和10 ns[14]。能帶偏移比ΔEc/ΔEv設(shè)為0.7/0.3[15]。深紫外LED器件內(nèi)部工作溫度設(shè)為300 K[16]。內(nèi)置的界面極化電荷根據(jù)Fiorentini等[17]的公式進(jìn)行計(jì)算，其中將40%的理論極化電荷密度用于解釋固定缺陷和其他表面電荷的補(bǔ)償。

圖1 (a)AlGaN深紫外LED結(jié)構(gòu)示意圖；(b)參考結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)A)；(c)不規(guī)則H形量子阱結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)B)。Fig.1 (a)Schematic DUV-LED structures of different MQWs designs.(b)Structure A.(c)Structure B.

3 結(jié)果與分析

圖2給出了結(jié)構(gòu)A(參考結(jié)構(gòu))和結(jié)構(gòu)B(新結(jié)構(gòu))的內(nèi)量子效率和光輸出功率與注入電流密度的函數(shù)關(guān)系。可以看出，在整個(gè)注入電流密度范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)B的光輸出功率和內(nèi)量子效率(IQE)η始終優(yōu)于結(jié)構(gòu)A。尤其是當(dāng)注入電流密度達(dá)到100 A/cm2時(shí)，新型結(jié)構(gòu)B的內(nèi)量子效率和光輸出功率較參考結(jié)構(gòu)A分別提高到1.08倍和1.07倍。此外，當(dāng)注入電流密度約為65 A/cm2時(shí)，結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B的最大IQE分別為48.50%和52.18%。根據(jù)公式(ηmax-ηmin)/ηmax可得結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B的效率驟降率分別為3.3%和1.3%。因此，與結(jié)構(gòu)A相比，結(jié)構(gòu)B的器件性能有了明顯的改善，這可能是由于在有源區(qū)中載流子分布的調(diào)整以及空穴和電子波函數(shù)的重疊造成的。

圖2 結(jié)構(gòu)A(參考結(jié)構(gòu))與結(jié)構(gòu)B(新結(jié)構(gòu))的光輸出功率和內(nèi)量子效率對(duì)電流密度的依賴關(guān)系Fig.2 Dependence of the LOP and IQE on injected current density for structures A(reference structure)and B(new structure)

為了更好地理解這種新型不規(guī)則H形量子阱結(jié)構(gòu)提高深紫外LED性能的物理機(jī)制，我們選擇注入電流為100 A/cm2時(shí)電場的分布情況與能帶圖為例進(jìn)行詳細(xì)分析。圖3為注入電流為100 A/cm2時(shí)有源區(qū)電場強(qiáng)度分布。眾所周知，空穴的輸運(yùn)行為可以用以下公式來描述：其中Vp為空穴漂移速度，μp為空穴遷移率，E與Ek分別為靜電場強(qiáng)度和動(dòng)能，為空穴有效質(zhì)量。可以看出，在[0001]方向上增加的電場強(qiáng)度會(huì)使空穴獲得更大的動(dòng)能，這將對(duì)空穴有效地注入有源區(qū)有很大幫助。通過計(jì)算，結(jié)構(gòu)A與B在有源區(qū)內(nèi)的平均電場強(qiáng)度分別為3.59×104V/cm和1.30×104V/cm，因而相較于結(jié)構(gòu)A，結(jié)構(gòu)B具有更小的平均電場強(qiáng)度，說明在結(jié)構(gòu)B中采用不規(guī)則H形量子勢壘時(shí)，附加了沿[0001]方向上的等效電場。考慮到不規(guī)則H形量子勢壘是由高Al組分雙尖峰勢壘而形成的，附加的額外電場應(yīng)歸功于極化效應(yīng)導(dǎo)致的量子勢壘界面上的極化電荷，這在我們以往的研究中已進(jìn)行了詳細(xì)的闡述[12]。

圖3 結(jié)構(gòu)A(a)和B(b)在電流密度為100 A/cm2時(shí)的有源區(qū)電場分布Fig.3 Electric field profile in the active regions for structures A(a)and B(b)under the current density of 100 A/cm2

圖4 展示了在注入電流為100 A/cm2時(shí)A結(jié)構(gòu)和B結(jié)構(gòu)的能帶圖，A結(jié)構(gòu)和B結(jié)構(gòu)的電子有效勢壘高度分別為220.71 meV和365.03 meV，這表明采用不規(guī)則H形量子勢壘的B樣品具有更強(qiáng)的阻擋電子泄露的能力。而對(duì)于空穴，A、B結(jié)構(gòu)的空穴有效勢壘高度分別為415.26，404.07 meV，說明B結(jié)構(gòu)更有利于空穴的有效注入。

圖4 結(jié)構(gòu)A(a)和B(b)在電流密度為100 A/cm2時(shí)的能帶圖Fig.4 Energy band within the active regions of structures A(a)and B(b)under current density of 100 A/cm2

圖5 結(jié)構(gòu)A(a)和結(jié)構(gòu)B(b)在注入電流為100 A/cm2時(shí)有源區(qū)的電子與空穴濃度分布Fig.5 Electron and hole concentration of structures A(a)and B(b)under current density of 100 A/cm2

圖5 分別展示了在電流密度為100 A/cm2時(shí)結(jié)構(gòu)A和B在有源區(qū)內(nèi)電子和空穴的濃度分布情況。可以清楚地發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)B的電子濃度較結(jié)構(gòu)A僅有輕微的變化，并且在量子阱之間積累了一些電子。圖5(a)中的插圖顯示了電子在p區(qū)的泄露情況，顯然，結(jié)構(gòu)B的電子泄露量要遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)A，這進(jìn)一步證實(shí)了結(jié)構(gòu)B中不規(guī)則的量子勢壘設(shè)計(jì)可以有效地防止電子泄露。與此同時(shí)，如圖5(b)所示，結(jié)構(gòu)B中有源區(qū)的空穴濃度明顯高于結(jié)構(gòu)A，顯著改善了電子和空穴的非平衡注入問題。

為進(jìn)一步比較兩種結(jié)構(gòu)的性能，我們分析了在注入電流為100 A/cm2時(shí)兩種結(jié)構(gòu)的載流子的輻射復(fù)合情況。圖6顯示了結(jié)構(gòu)A和B量子阱區(qū)域的平均輻射復(fù)合速率分布，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)B的平均輻射復(fù)合速率是結(jié)構(gòu)A的1.16倍。另外，從圖6也可以看出，結(jié)構(gòu)B中的每一對(duì)量子阱中輻射復(fù)合速率都顯著高于結(jié)構(gòu)A。結(jié)合圖5中空穴與電子的濃度分布，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了不規(guī)則H形量子勢壘調(diào)制的有源區(qū)中空穴濃度的增加是導(dǎo)致輻射復(fù)合速率增長的主要原因。

圖6 結(jié)構(gòu)A與結(jié)構(gòu)B在有源區(qū)的輻射復(fù)合速率分布Fig.6 Radiative recombination rates of the MQWs for structures A and B

4 結(jié) 論

綜上所述，通過引入不規(guī)則H形量子勢壘結(jié)構(gòu)能有效地改善AlGaN基深紫外LED器件的載流子平衡注入難題。與普通的深紫外發(fā)光LED相比，這種不規(guī)則H形量子勢壘結(jié)構(gòu)的LED器件結(jié)構(gòu)在內(nèi)量子效率和光輸出功率上都有了很大的改善。研究結(jié)果表明，不規(guī)則H形量子勢壘產(chǎn)生的電場調(diào)制效應(yīng)使空穴獲得了更多的動(dòng)能，從而能夠通過更高的勢壘進(jìn)入有源區(qū)。同時(shí)，較高的電子勢壘有效地阻礙了電子逸出有源區(qū)，而較低的空穴勢壘也有利于空穴有效注入。因此，采用不規(guī)則H形量子勢壘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，器件的性能因空穴濃度的提高得到了極大的提升，從而有效地增加了載流子的輻射復(fù)合發(fā)光。我們的研究也表明，在常用的單一Al組分的AlGaN量子阱勢壘中引入Al組分較高的尖峰非規(guī)則結(jié)構(gòu)是一種提高AlGaN基深紫外發(fā)光器件性能的有效途徑。