三明治结构电子阻挡层中势阱深度对LED 性能的影响

章敏杰 ，梅 霆，2* ，王乃印，朱 凝，2，王达飞，李 浩，文 洁

(1.华南师范大学光电子材料与技术研究所 微纳功能材料与器件重点实验室，广东 广州 510631;2.中山大学 光电子材料与技术国家重点实验室，广东 广州 510275)

1 引 言

近年来，发光二极管(LED)的性能有了显著提高，在户外照明、汽车车灯、背光显示以及微电子器件方面取得了广泛的应用。但LED 的效率在小电流下达到饱和，随着注入电流的进一步增大，LED 的发光效率会急剧下降，这种问题通常被称为LED 的效率衰减问题，阻碍着LED 在大功率照明方面的应用。针对LED 在大电流下衰减的机制，研究者提出了许多解释［1-5］，其中电子泄露和空穴注入不足被认为是导致LED 效率衰减最重要的原因。

在过去几年，研究者发现传统的AlGaN 电子阻挡层不仅无法有效地抑制电子泄露，而且还会阻碍空穴的注入［6-8］。为了改善LED 的性能，研究者设计了各种改进型的电子阻挡层结构，例如Al 组分渐变的电子阻挡层［9-11］、与GaN 晶格匹配的Al0.18In0.82N 电子阻挡层［12］、AlGaInN 电子阻挡层［13］、AlGaN/GaN 超晶格电子阻挡层［14］等。结果表明，这些结构都可以明显地改善LED 的效率衰减问题，但与此同时，这些电子阻挡层结构在外延生长过程中都存在不小的困难。而在近期，Xia等［15］设计了一种在外延工艺中能较为容易实现的电子阻挡层结构，即在传统的电子阻挡层结构中插入一个GaN 势阱，并重点讨论了GaN 势阱宽度的变化对LED 性能的影响。研究发现，随着GaN 势阱宽度的增加，LED 的光电性能不断改善。本文在传统电子阻挡层中插入了一个宽度为12 nm 的AlxGa1－xN势阱层，并着重讨论了AlxGa1－xN 势阱深度变化对LED 效率衰减的影响。

2 结构与参数

本文中样品结构如图1 所示。该器件的几何尺寸设计为300 μm ×300 μm 的正方形结构，生长在c 面蓝宝石衬底上。结构由下至上分别为2.5 μm 厚的u-GaN 缓冲层，2 μm 的n-GaN(n 掺杂浓度为5 ×1018cm－3)，其上的活性层包含6 个2 nm 厚的In0.16Ga0.84N 阱层以及7 个15 nm 厚的GaN 垒层，活性层的上方为20 nm 厚的三明治结构作电子阻挡层(4 nm Al0.1Ga0.9N，12 nm AlxGa1－xN，4 nm Al0.1Ga0.9N)，最后为170 nm 厚的p-GaN。

AlGaN 与InGaN 三元合金的禁带宽度通过如下公式计算［16］:

其中，Eg(InN)、Eg(AlN)、Eg(GaN)分别为InN、AlN、GaN 的带隙，并分别取值为0.78，6.25，3.51 eV。LED 器件内部吸收均设置为500 m－1，工作温度设定为300 K，俄歇复合效率设置为5 ×10－34cm6/s。在模拟中使用的半导体材料的其他参数可以参照文献［17］。

图1 三明治结构电子阻挡层的LED 结构示意图Fig.1 Schematic diagram of GaN-based LED structures with sandwich EBL.

3 结果与讨论

由于晶格失配，在LED 的最后一个垒层和电子阻挡层的界面上会产生很大的极化电场，使能带在最后一个垒层的区域严重地向下弯曲，降低了电子阻挡层的有效势垒高度(图2(a)和图3(a))，从而使电子更容易越过电子阻挡层进入p区，同时也增大了空穴注入有源区的难度。而引入一个AlGaN 三明治结构电子阻挡层后，由于Al0.1Ga0.9N 与AlxGa1－xN 的晶格失配，会使电子阻挡层的Al0.1Ga0.9N 层中的电场明显增加，从而提高电子阻挡层的带边;同时，由于电子阻挡层中电场的增加，在最后一个垒层中分布的电场在x值从0.1 降为0.02 的过程中，也减少了将近一半，如图2(b)和图2(c)所示，因而减轻了最后一个垒层区域的能带弯曲程度，如图3(b)和图3(c)所示。因此，随着x 值从0.1 减小到0.02，电子阻挡层对电子的有效势垒高度从195 meV(x=0.1)增加到了321 meV(x=0.02)，对空穴的有效势垒高度则从248 meV 降低到了212 meV。所以，AlGaN 三明治结构电子阻挡层的引入增强了LED 将电子限制在有源区的能力，同时LED 的空穴注入效率也得到了很大提高。

图2 AlxGa1－xN LED 样品在200 mA 电流下的电场分布图。(a)x=0.1;(b)x=0.06;(c)x=0.02。Fig.2 Simulated electrostatic fields throughout AlxGa1－xN LEDs under 200 mA forward current.(a)x=0.1.(b)x=0.06.(c)x=0.02.

此外，值得注意的是，在AlGaN 三明治结构电子阻挡层中存在一个较浅的势阱，如图3(b)和图3(c)所示，而在这些浅势阱中会发生较强的空穴聚集效应。在注入电流较小时，空穴聚集效应很微弱，可以忽略不计，但在大电流时，大量空穴被聚集在这个势阱中，如图4 所示。从图中可以看到，空穴聚集效应随着x 值的降低而明显增强，当x 值从0.1 降低到0.02 时，在靠近电子阻挡层与有源区的界面附近，空穴浓度至少提高了一个数量级。这种空穴聚集效应将极大地促进空穴从电子阻挡层向有源区的注入。同时，随着x 值的降低，p-GaN 层的空穴浓度也呈现出轻微的下降趋势，这说明更深的势阱同时也会促进空穴从p型层向电子阻挡层的注入。

图3 AlxGa1－xN LED 样品在200 mA 电流下的能带分布图。(a)x=0.1;(b)x=0.06;(c)x=0.02。Fig.3 Calculated energy band diagram of AlxGa1－xN LEDs at 200 mA forward current.(a)x=0.1.(b)x=0.06.(c)x=0.02.

图4 AlxGa1－xN LED 样品在200 mA 电流下的空穴浓度的对数分布。(a)x=0.1;(b)x=0.06;(c)x=0.02。Fig.4 Distribution of hole concentrations (log)of AlxGa1－xN LEDs at 200 mA forward current.(a)x=0.1.(b)x=0.06.(c)x=0.02.

这与在200 mA 注入电流下有源区的空穴分布相对应，如图5(a)所示。为更方便地观察图像变化，我们将具有AlGaN 三明治结构电子阻挡层的LED 样品的数据图像平移了少许。从图中可以看到，在x 值由0.1 下降到0.02 的过程中，由于更为有效的空穴注入，LED 有源区的空穴浓度有了显著变化，特别是在靠近p 型层的量子阱中。200 mA 下3 个样品的电子电流分布图如图5(b)所示，在x=0.1 时(传统的LED)，电子漏电流表现得较为严重;但在引入AlGaN 三明治结构电子阻挡层后，由于更高的有效势垒高度和更有效的空穴注入，漏电流得到了明显的改善，更多的电子被限制在有源区参与复合发光。因此，由于更有效的空穴注入和更强的电子限制作用，引入AlGaN三明治结构电子阻挡层的LED 必然呈现出更高的辐射复合速率，并且势阱深度越大复合速率越大，复合主要发生在靠近p 型层的量子阱中，如图5(c)所示。在x 值由0.1 降低至0.02 时，辐射复合速率提高了31%。

图5 在200 mA 电流下，3 个样品的有源区空穴分布(a)、电子电流分布(b)和辐射复合率分布(c)。Fig.5 Distribution of hole concentration in the active region(a)，electron current density (b)，and radiative recombination rate (c)of the three LEDs at 200 mA.

综合上文所述的LED 在空穴注入、漏电流、辐射复合速率等方面的改善，内量子效率的提高也就是可以预期的了。如图6(a)中的插图所示，3 个样品的内量子效率随着电流增加都呈现出下降的趋势。传统的LED(x=0.1)由于严重的电子泄露和不足的空穴注入，效率衰减现象表现得十分明显。当引入AlGaN 三明治结构电子阻挡层后，效率衰减现象得到了显著的改善。同时，我们可以看到，在x 值由0.1 变为0.06 和0.02 的过程中，插入阱的深度越大则LED 的效率衰减问题改善得越明显。

图6 (a)在200 mA 注入电流下，AlxGa1－xN LED 内量子效率和漏电流随x 值的变化，插图为3 个样品的内量子效率随电流变化的情况;(b)AlxGa1－xN 三明治结构电子阻挡层中两个势垒的有效高度随x 值的变化情况。Fig.6 IQE and leakage current at 200 mA injection current(a)andeffective barrier height of the two barriers in EBL (b)vs.the value of x.The insert in Fig.6 (a)shows simulated IQE as a function of the injection current for the three LEDs.

尽管如此，但当x 值从0.02 开始继续下降时，效率衰减现象却又重新变得严重起来。因为图像变化较小，我们画出了200 mA 注入电流下内量子效率随x 值的变化情况，如图6(a)所示(左y轴)。从图中可以看到，引入AlGaN 三明治结构电子阻挡层后，LED 的内量子效率并不是随着x值的降低而一直改善的。在x 值从0.1 降低至0.02 时，LED 的内量子效率增加得很明显，之后在x 值继续下降至0 时却呈现出轻微下降的趋势。可能的解释是，在AlGaN 三明治结构电子阻挡层中，越过第一个势垒进入浅势阱中的电子的比例与它的有效势垒高度Eb1有关，即exp(－ Eb1/k0T)。同时，因为势阱的宽度足够大(12 nm)，使得在其中的量子效应不是很明显，所以我们可以将这个势阱视为一个电子池。因此，电子从这个电子池中越过第二个势垒进入p 型层的比例同样可以由它的有效势垒高度Eb2来决定。从图6(b)中我们可以看到，当x 值从0.08 下降到0.02时，Eb1和Eb2都有显著的提高，因此LED 样品对电子的限制作用得到了增强，减小了漏电流，同时改善了样品的内量子效率，如图6(a)所示。但当x 值继续由0.02 下降至0 时，Eb1基本保持不变，但Eb2却由于费米能级在该处的进一步提高而有所降低，从而导致样品对电子的限制能力减弱，使得漏电流增加，内量子效率下降，如图6(a)所示。

4 结 论

研究了AlGaN 三明治结构电子阻挡层对LED 性能的改善，讨论了电子阻挡层中势阱深度的变化对LED 性能的影响。结果表明，由于电子阻挡层中增强的电场对能带的调制，使得电子阻挡层相对于电子的有效势垒高度提高，而相对空穴的有效势垒高度则有所下降;同时，较强的空穴聚集效应也会发生在电子阻挡层引入的势阱中。以上两点使得LED 对电子的限制作用和空穴注入效率明显改善，因此抑制了效率衰减现象。同时我们发现，引入AlxGa1－xN 三明治结构电子阻挡层的LED，其性能与x 值有着十分密切的关系，当x 值由0.1 下降至0.02 时，内量子效率不断提高;但当x 值进一步从0.02下降至0 时，内量子效率却又呈现出轻微下降的趋势。这可能是由于电子阻挡层中第二个势垒高度下降的影响。

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