采用AlGaN組分漸變的底層量子勢壘深紫外LED研究

黃 晶，楊 輝，楊 龍

（上饒職業技術學院，江西 上饒 334109）

汞燈被稱為紫外光的發生設備，其主要用于醫療器械、殺菌和檢測。由于汞燈耗電量大，體積大，壽命短，需要預熱10 min才能完全發光，難以普及。而深紫外LED易于安裝在機器上，并具有很好的安全性，工作電壓約5～7 V，尺寸僅幾毫米，預熱時間短，壽命長，抗沖擊能力強。深紫外LED打破了汞燈的局限性，然而仍有技術弱點，比如：光效比汞燈差，生產技術不成熟。深紫外LED低發光效率是由于高位錯密度引起的螺旋復合，低勢壘高度引起的電子泄漏，量子阱中大靜電場引起的弱載流子限制能力。為解決上述問題，Sun等［1］研究了具有AlGaN／GaN超晶格電阻擋層的AlGaN基深紫外LED，以減少電子泄漏。Zhang等［2］研究Al降低漸變的AlGaN電子阻擋層以限制電子溢出并提高深紫外LED的空穴注入效率。深紫外LED的底部使用Al漸變組分AlGaN量子勢壘，減少由于計劃效應產生的靜電場，從而提高深紫外LED的載流子注入效率。結果表明，該結構的深紫外LED光輸出效率比常規結構高。

1 結構和參數設計

如圖1所示，常規結構（結構A）在C面藍寶石襯底上生長［3］，然后是3μm Si摻雜的n型Al0.55Ga0.45N外延層（n摻雜＝2×1018cm-3），有源區由6個10 nm Al0.55Ga0.45N勢壘層夾著5個2 nm Al0.45Ga0.55N阱層組成，在最后一個勢壘的頂部是20 nm p型Al0.6Ga0.4N EBL（p摻雜＝1×1019cm-3）和10 nm p型Al0.55Ga0.45N層（p摻雜＝1×1019cm-3），在結構頂部沉積100 nm p-GaN層（p摻雜＝3×1019cm-3）。對于第2種結構（結構B），其結構與常規結構相同，只是底部量子勢壘被未摻雜的漸變Al組分的AlGaN代替，其由3 nm Al0.45Ga0.55N、4 nm Al0.5Ga0.5N和3 nm Al0.55Ga0.45N從下到上組成。

圖1 深紫外LED外延結構示意圖

2 結果分析

圖2為結構A和結構B在120 mA下的靜電場分布和量子阱靜電場分布放大圖。從圖2可以看出，結構B在底部使用梯度分量的AlGaN量子勢壘，其靜電場小于結構A，這將有利于量子阱限制更多的載流子。特別是在底部量子阱處，結構B的靜電場遠小于結構A，這將允許更多載流子限制在底部量子阱中。

圖3展示了2種結構的電子和空穴在量子阱中的濃度分布。結果表明，結構B比常規結構A的電子和空穴濃度都要高，這歸因于結構B的低靜電場帶來的高載流子限制能力。

圖2 注入電流120 mA下深紫外LED的靜電場分布

圖3 量子阱中電子和空穴濃度分布

隨注入電流變化的內量子效率和光功率輸出如圖4所示。從圖4（a）可以看出，結構B的內量子效率總體趨勢高于結構A，結構A的最大內量子效率為0.32，結構B的最大內量子效率可達0.46。這充分說明結構B底部使用了漸變成分AlGaN量子勢壘的結構，具有更好的光學性能。圖4（b）為2種結構的光輸出功率，隨著注入電流的增加，光輸出功率增加，但結構B比結構A的表現更好。當電流為120 mA時，結構B的光輸出功率為19.6 mW，結構A為11.9 mW，結構B的光輸出功率比A高出64.7%。這一結果也說明結構B在光學性能上有很大的提升。

圖4 內量子效率與光功率輸出

3 結論

AlGaN組分漸變的底層量子勢壘深紫外LED的靜電場比常規結構低，可以提高載流子的注入效率。因此，采用Al組分漸變的AlGaN底部量子勢壘深紫外LED具有更高的內量子效率和光輸出功率。