移去电子阻挡层对双蓝光波长LED性能的影响

严启荣，田世锋，章 勇

（1.广东省理工职业技术学校，广州 510500；2.华南师范大学光电子材料与技术研究所，广州 510631）

移去电子阻挡层对双蓝光波长LED性能的影响

严启荣1，田世锋1，章 勇2

（1.广东省理工职业技术学校，广州 510500；2.华南师范大学光电子材料与技术研究所，广州 510631）

采用数值分析方法进行模拟分析InGaN/GaN混合多量子阱中移去p-AlGaN电子阻挡层对GaN基双蓝光波长发光二极管（LED）性能的影响。结果发现，与传统的具有p-AlGaN电子阻挡层的双蓝光波长LED相比，移去电子阻挡层能有效地改善电子和空穴在混合多量子阱活性层中的分布均匀性，实现电子空穴在各个量子阱中的均衡辐射。在小电流驱动时，移去电子阻挡层器件的发光功率要明显优于具有电子阻挡层的器件；而在大电流驱动时，电子阻挡层能有效地减少电子溢流，改善器件的发光效率。

电子阻挡层；双蓝光波长；InGaN/GaN量子阱；光谱

1 引言

近年来，GaN基发光二极管（LED）得到了广泛应用[1~2]。目前市场上广泛销售的白光LED是由蓝光芯片激发YAG:Ce荧光粉产生的黄光与部分没有被吸收的蓝光耦合成的白光发射[3]。但是，这种白光LED在大电流驱动时，显色指数和发光效率都会降低；在小电流驱动时，发光效率也不高。导致LED发生光衰的原因有很多，如载流子局化、线错位和晶格失配引起很强的内部极化电场[5~6]。为了提高载流子在活性区中的均匀分布和减少光衰，科学家们提出了各种方法，例如：在GaN/InGaN量子阱中使用staggered InGaN量子阱[7]、δ-AlGaN层[8~9]、type-Ⅱ InGaN-GaNAs 量子阱[10]、InGaN-delta-InN量子阱[11]和InGaN-AlGaN量子阱[12]等。最近，我们提出去掉p-AlGaN层并在活性层底部插入n-AlGaN层的结构能改善电子和空穴在混合多量子阱活性层中的分布均匀性并减少漏电流，从而明显改善器件的发射光谱和光衰效应[13]。

目前，白光LED技术的目标是既能克服光衰，又能实现高显色指数。我们提出使用双蓝光波长芯片激发YAG:Ce荧光粉的器件既能获得高显色指数又能提高光效[13~14]。传统的LED结构都会使用p-AlGaN电子阻挡层（EBL）来防止电子溢流，特别是大电流驱动时，但是却增强了内部极化效应和阻挡空穴的注入。此外，电子阻挡层并不能使双蓝光LED获得稳定的双蓝光光谱，这是由于电子和空穴在活性区中分布不均衡。本文使用APSYS[15]软件对器件的发射光谱、能带图、载流子浓度分布图、静电场和发光功率进行模拟分析，深入研究具有或移去p-AlGaN电子阻挡层对双蓝光波长发光二极管性能的影响。

2 器件结构

在本实验中，具有电子阻挡层的双蓝光波长LED的结构依次为2 μm的n-GaN层（掺杂浓度为4×1018cm-3）、两个In0.18Ga0.82N/GaN量子阱和两个In0.12Ga0.88N/GaN量子阱、15 nm的p-Al0.15Ga0.85N电子阻挡层（掺杂浓度5×1017cm-3）以及200 nm厚的p-GaN层（掺杂浓度5×1017cm-3），见图1（a）。在本文中移去了p-AlGaN电子阻挡层，其他结构一样，如图1（b）所示。所有量子阱的阱层和垒层厚度分别为3 nm和10 nm。

图1 器件结构

3 结果与讨论

图2（a）右上角插图为在实验中含有电子阻挡层的双蓝光LED在不同电流下的电致发光（EL）光谱。图中有明显的双蓝光峰发射，发射峰值分别为440 nm和470 nm，是分别来自In0.12Ga0.88N/ GaN量子阱和In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的发射。在低电流时其发射主要是来自蓝紫光In0.12Ga0.88N/ GaN量子阱的发射，随驱动电流的增大，来自蓝光In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的发射逐渐增强。当电流为40 mA时，蓝光峰和蓝紫光峰的发射强度几乎一样。随电流的进一步增强，蓝光峰的发射强度逐渐大于蓝紫光峰。驱动电流从10 mA增至80 mA的范围内，蓝紫光峰与蓝光峰的发射强度比值由4.3减小到0.90。图2（a）和（b）分别为具有电子阻挡层和移去电子阻挡层双蓝光LED在不同驱动电流下的模拟发射光谱。在模拟计算中，对软件的相关参数进行优化，使得模拟值和实验值一致。另一方面，对于移去电子阻挡层的LED在驱动电流由10 mA增至30 mA的范围内，其蓝紫光峰的发射强度略大于蓝光峰；随着电流的增大，蓝光峰的发射强度逐渐增强，略大于蓝紫光峰。但是，在驱动电流变化的过程中，蓝紫光峰和蓝光峰的发射强度比值如图2（b），没有图2（a）中相差那么大。

图2 双蓝光LED的模拟发射光谱随电流的变化关系

这主要是由于p-AlGaN电子阻挡层虽然能起到阻挡电子溢出活性层的作用，但同时却阻挡空穴注入活性层，从而使空穴在有源层中分布非常不均匀，特别在小电流时该现象非常明显。空穴跃过p-AlGaN层的阻挡到达其邻近的量子阱时，立刻复合发光，只有很少部分空穴能注入到靠近n-GaN侧的量子阱。当电流增大后，空穴的注入能力进一步增强，从而使靠近n-GaN侧的高In组分量子阱的空穴浓度得到增大，因此，蓝光峰的发光强度逐渐增强。然而，电子阻挡层的移去改善了双蓝光波长光谱对电流的依赖性。

图3（a）和（b）分别表示具有p-AlGaN电子阻挡层和移去阻挡层的双蓝光LED在20 mA时的能带图与准费米能级分布图及载流子的分布情况。当器件含有p-AlGaN电子阻挡层时，在p-AlGaN层和GaN垒层之间由于晶格失配引起很强的内部极化电场，从而降低了导带处最后一个垒层的势垒，减弱了对电子的限制，而在GaN垒层与p-AlGaN层界面处的价带形成了阻挡空穴注入的尖峰。这样会导致空穴浓度不足而电子浓度过剩的现象。另外，由于GaN基材料空穴有效质量（1.1 m0）高于电子的有效质量（0.2 m0），电子就更容易穿越活性层进入活性层顶部的量子阱层，甚至溢流出有源层进入p-GaN层。相反，空穴就比较难达到活性层靠近n-GaN侧的量子阱，这样电子空穴在活性层中分布非常不均匀，导致电子空穴复合发光只发生在最靠近p-GaN侧的那个量子阱内，如图3（a）所示。因此，来自In0.12Ga0.88N/ GaN量子阱的蓝紫光峰大于来自In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的蓝光峰，如图2（a）所示。电子阻挡层移去后，空穴的注入效率和电子在活性层中的限制得到了改善，从而提高了电子和空穴的辐射复合率，并得到均衡辐射，如图3（b）所示。

模拟所得的具有电子阻挡层和移去电子阻挡层双蓝光 LED的静电场如图4所示。在20 mA电流下，传统的具有p-AlGaN电子阻挡层的双蓝光LED内部量子阱的静电场明显大于移去电子阻挡层的双蓝光 LED。具有电子阻挡层双蓝光 LED的蓝光量子阱In0.18Ga0.82N/ GaN的静电场约为16×105V·cm-1，大于移去电子阻挡层双蓝光 LED的14.5×105V·cm-1。并且，具有电子阻挡层双蓝光LED活性区中靠近p-GaN的那个蓝紫光量子阱In0.12Ga0.88N/GaN的静电场比移去电子阻挡层双蓝光LED的大出约2.3×105V·cm-1。此外，p-AlGaN层的存在使得靠近p-GaN的那个量子垒层和p-AlGaN电子阻挡层的界面处存在较强的电场，这可能会导致势垒高度下降和严重的电子泄漏。可见，电子阻挡层的移除使静电场得到削弱，能带弯曲得到减少，有利于在小电流注入下活性区对电子的限制和空穴的注入。

图3 双蓝光LED在20 mA时的能带图和准费米能级分布图及载流子的分布情况

图4 静电场分布图

图5 模拟光功率值和内量子效率随注入电流的变化关系

图5（a）和（b）分别表示具有电子阻挡层和移去电子阻挡层双蓝光LED的模拟输出光功率值和内量子效率随注入电流的变化关系，空心点表示具有电子阻挡层器件的实验结果。当电流小于116 mA时，移去电子阻挡层LED的发光功率比具有电子阻挡层的大，但随着电流的增大，移去电子阻挡层LED的发光功率的增加变得非常缓慢，并且低于具有电子阻挡层LED的功率。值得注意的是具有电子阻挡层LED的内量子效率在小电流迅速下降后一直保持在38%左右，而移去电子阻挡层LED的内量子效率在4.5 mA时达到最大值93%，然后迅速地下降，直到电流大于116 mA时，其效率低于具有电子阻挡层的LED。这是由于在小电流驱动时，具有电子阻挡层LED活性区内极化电场的作用导致电子溢流加剧，而随着电流的增加，p-AlGaN层对电子溢流的阻挡作用变得显著，从而提高器件的发光功率。

4 结论

通过分析比较具有电子阻挡层和移去电子阻挡层双蓝光波长LED的发射光谱、能带图、准费米能级分布图、载流子浓度分布图、静电场以及发光功率，结果表明移去p-AlGaN电子阻挡层能有效地改善电子和空穴在混合多量子阱活性层中的分布均匀性，实现电子空穴在各个量子阱中的均衡辐射。但是，在小电流驱动时，移去电子阻挡层LED的发光功率要明显优于具有电子阻挡层的LED；而在大电流驱动时，电子阻挡层能有效地减少电子溢流，改善器件的发光效果。

[1] SCHUBERT E F, KIM J K. Solid- state light sources getting smart [J]. Science，2005, 308（5726）: 1274-1278.

[2] PIMPUTKAR S, SPECK J S, DENBAARS S P, et al. Prospects for LED lighting [J]. Nature Photonics, 2009, 3（32）: 180-182．

[3] ZUKAUSKAS A, VAICEKAUSKAS R, IVANAUSKAS F, et al. Optimization of white polychromatic semiconductor lamps [J]. Appl. Phys. Lett. 2002, 80（2）: 234-236.

[4] KIM M H, SCHUBERT M F, DAI Q, et al. Origin of eff i ciency droop in GaN-based light-emitting diodes [J]. Appl. Phys.Lett. 2007, 91（18）: 1-3.

[5] KUO Y K, YEN S H, TSAI M C, et al. Effect of spontaneous and piezoelectric polarization on the optical characteristics of blue light-emitting diodes [J]. Proc. of SPIE. 2007, 6669: 1-8.

[6] LEE W, KIM M H, ZHU D, et al. Growth and characteristiccs of GaInN/GaInN multiple quantum well light-emitting diodes [J]. J Appl. Phys., 2010,107:1-6.

[7] ARIF R A, EE Y K, TANSU N. Polarization engineering via staggered InGaN quantum wells for radiative eff i ciency enhancement of light emitting diodes [J]. Appl. Phys. Lett., 2007, 91（9）: 1-3.

[8] PARK J, KAWAKAMI Y. Photoluminescence property of InGaN single quantum well with embedded AlGaN delta layer [J]. Appl. Phys. Lett., 2006, 88（20）: 202107-1202110.

[9] PARK S H, Park J, YOON E. Optical gain in InGaN/GaN quantum well structures with embedded AlGaN layer [J]. Appl. Phys. Lett., 2007, 90（2）: 1-3.

[10] ARIF R A, ZHAO H, TANSU N. Type-II InGaN-GaNAs quantum wells for lasers applications [J]. Appl. Phys. Lett., 2008, 92（1）: 1-3.

[11] HAO H, LIU G, TANSU N. Analysis of InGaN-delta-InN quantum wells for light-emitting diodes [J]. Appl. Phys. Lett., 2010, 97（13）: 1-3.

[12] CHANG S J, KUO C H, SU Y K, et al. 400 nm InGaNGaN and InGaN-AlGaN multiquantum well light-emitting diodes [J]. Selected Topics in Quantum Electron, 2002, 8（4）: 744-748.

[13] YAN Q R, ZHANG Y, LI S T, et al. Improved color rendering of phosphor-converted white light-emitting diodes with dual-blue active layers and n-type AlGaN layer [J]. Optics Letters, 2012, 37（9）: 1556 -1558.

[14] CHEN Xianwen, ZHANG yong, LI Shuti, et al. Improving color rendering of Y3Al5O12:Ce3+R white light-emitting diodes based on dual-blue-emitting active layers [J]. Phys. Status Solidi A, 2011, 208（8）: 1972-1975.

[15] Crosslight Software Inc 2014 [EB/OL]. http://www. crosslight.com/products /apsys.shtml.

Effect of Removing Electron-blocking Layer on Performance of Dual-blue Wavelength Light-emitting Diodes

YAN Qirong1, TIAN Shifeng1, ZHANG Yong2

（1.Guangdong Vocational school of polytechnic,Guangzhou510500,China; 2.Institute of Optoelectronic Materials and Technology,South China Normal University,Guangzhou510631,China）

The effect of removing electron-blocking layer（EBL）on the physical properties of dual-blue wavelength light-emitting diode（LED）is investigated numerically. The results show that compared with the dual-blue LED with a p-type AlGaN EBL, it can improve the distribution of electrons and holes more uniformly in the multiple quantum wells（MQWs）and realize the radiation balance between dual-blue light by removing the p-type AlGaN EBL. The light output power of the LED without EBL is superior to that of the LED with EBL at the low injection current. However, the leakage current can be reduced by the EBL with the injection current increasing, so the eff i ciency droop will be improved.

electron-blocking layer; dual-blue wavelength; InGaN/GaN quantum well; spectrum

O242.1

A

1681-1070（2014）11-0045-04

严启荣（1985—），男，广东佛山人，硕士研究生，主要研究方向为光电子器件制造与半导体照明应用。

2014-08-08