载流子复合机制对InGaN多量子阱蓝光LED调制带宽的影响

杨 杰， 朱邵歆， 闫建昌， 李晋闽， 王军喜

(1. 中国科学院大学 材料科学与光电技术学院， 北京 100049；2. 中国科学院半导体研究所 半导体照明研发中心， 北京 100083； 3. 中国电子信息产业发展研究院 集成电路研究所， 北京 100846)

1 引 言

以发光二极管(LED)作为光源的半导体照明技术正在不断改变人们的生活。LED除了具有节能环保和色彩饱和度高等优点，还由于是电子器件，所以比传统光源的开关速度更快，可以通过信号调制实现可见光波段的无线通信[1-2]。与传统射频无线技术相比，可见光通信技术可利用带宽高，具有更高的安全性和私密性，不产生电磁干扰，也无需相应频段的许可授权，能够以较低的成本实现高带宽高速率的无线通信接入，具有很好的空间复用性，极大地拓展了网络的覆盖面，是对现有射频技术的很好补充[3]。

实现高速率、高质量可见光通信的关键在于提升LED光源的调制速度。这就需要从LED的外延结构出发，深入分析影响LED调制特性的物理因素。

目前GaN基蓝光LED研究和设计的关注点集中在提升亮度和光效[4-7]。由于黄光荧光粉的响应速度很慢，商用荧光粉白光LED的调制带宽非常低，通常只有几MHz，使用滤光片过滤黄光后的蓝光LED调制带宽只有十几MHz[8]。LED的调制速度与LED的载流子复合寿命和电容有关[9-16]。对于蓝光GaN基LED，常用的多量子阱结构(MQWs)包括GaN量子垒和InGaN量子阱。LED辐射复合速率、光效、发光波长、热稳定性及可靠性等重要指标均与MQWs密切相关[17-19]。本文通过设计InGaN多量子阱LED有源区结构，研究了载流子复合机制对LED调制速度的影响。

2 实验和结果讨论

2.1 调制带宽测试系统

调制带宽测试系统如图1所示，系统的核心是网络分析仪(Agilent E5061B)。通过偏置器Bias-T(Mini-Circuits ZFBT-4R2GW+)将网络分析仪的正弦波信号加载在直流电源中，然后将其接入待测试的LED上。LED发出的光信号被光电探测器(Newport818-BB-21A)接收并返回至网络分析仪，网络分析仪对比分析接收和发射信号后可得到频率响应曲线，进而得到LED的3-dB调制带宽。

图1 LED调制带宽测试系统结构示意图

Fig.1LED modulation bandwidth measurement system set up diagram

2.2 量子阱宽度对调制带宽的影响

通过改变量子阱中InGaN层的生长时间来改变量子阱的宽度，得到两个量子阱宽度不同的LED A和LED B。

LED A和LED B的生长条件如下：使用MOCVD系统在c面蓝宝石衬底(2in)上外延生长，衬底在1015℃下使用氢气清洁表面，然后在650℃下生长30nm的GaN buffer层，经过高温退火后先后生长2.5μm的本征GaN层和3μm的Si掺杂n型GaN层；随后，生长9对GaN/InGaN多量子阱作为有源区，量子垒的生长时间为4min(约10nm)，LED A的量子阱生长时间为2.5min(约3.5nm)，LED B为3min(约4nm)；MQWs生长完毕后继续在950℃下生长12min(约150nm)的p型GaN层。其外延结构示意图如图2所示。

图2 不同量子阱宽度的LED A和B外延结构图

Fig.2Epitaxial structures of LEDs with different quantum well width. The quantum well growth time of LED A, B is2.5min and3min, respectively.

LED外延片通过传统的台面工艺制成LED芯片，使用铟锡氧化物(ITO)透明导电层作为电流扩展层，使用Cr/Pt/Au作为正负电极材料。划片后，将裸芯放入具有反射杯的封装支架中，使用金线引出电极并封装为0.254mm×0.584mm(10mil×23mil)的LED封装体。

将LED A和B接入调制带宽测试系统，测量频率响应曲线，如图3(a)和(b)所示。LED A在20，50，80mA下的3-dB带宽分别为11.3，18.9，23.6MHz，LED B在20，50，80mA下的3-dB带宽分别为10.5，15.9，20.3MHz。两者分别相差0.8，3，3.3MHz。可以看出宽量子阱LED的调制速度比窄量子阱LED要慢。图4(b) 是LED A和B的3-dB带宽随电流变化曲线对比，可以看出随电流增加，LED的3-dB带宽一直增加，且LED A的带宽始终大于LED B。

图3(a) LED A的归一化频率响应曲线；(b) LED B的归一化频率响应曲线。

Fig.3(a) Normalized frequency response of LED A at different currents. (b) Normalized frequency response of LED B at different currents.

可以用LED中MQWs的ABCD载流子复合模型解释以上现象。MQWs的ABCD模型是对ABC模型的补充，该模型考虑了氮化物LED中的载流子泄露项[20-21]，并以高次项描述了载流子泄露，其表达式如下：

R(n)=An+Bn2+Cn3+Dn4，

(1)

其中，R(n)为载流子复合速率，n是载流子浓度，An为SRH复合项，Bn2为辐射复合项，Cn3为俄歇复合项，Dn4则为载流子泄露项。

图4(a) LED A 和B的外量子效率随电流的变化；(b)LED A和B的3-dB带宽随电流的变化。

Fig.4(a) Comparison of the normalized EQE of LED A and B at different currents. (b) Comparison of the3-dB bandwidth of LED A and B at different currents.

由于LED的调制速度与载流子复合寿命有如下关系：

(2)

而载流子复合寿命τ与复合速率R(n)的关系如下：

(3)

结合式(2)可以得到

(4)

LED的3-dB带宽与LED的复合机制关系密切，与LED复合过程中各复合机制所占的比例相关。如图4(b)所示，随着注入电流的增加，载流子浓度n增加，所以3-dB带宽增大，并且窄量子阱LED的带宽要高于宽量子阱LED。在电流较小时，两种LED中SRH复合占了比较大的成分，所以两者的调制带宽差别不大；当电流加大时，由于窄量子阱LED中电子和空穴波函数的重叠几率更高，所以其拥有更高的辐射复合系数，因而辐射复合项所贡献的调制速率更高；继续增大电流，一方面俄歇复合开始发挥作用，另一方面由于窄量子阱中可供复合的量子态较低，所以电子更容易溢出量子阱而漂移到p型区形成泄露，使载流子泄露导致的复合过程成为重要的复合机制，导致窄量子阱的复合速率增加，其调制带宽也显著高于宽量子阱LED B。在相同的注入电流下，具有宽阱的LED B相对于具有窄阱的LED A来说，具有更大的空间，即有源区中限制的载流子浓度相对较低(宽阱LED的droop效应不是很严重也证实了这一论点，如图4(a)所示)，所以LED B的复合速率要低于LED A，故根据公式(4)，其3-dB带宽也低于LED A。

2.3 量子垒高度对调制带宽的影响

为了研究量子垒高度对LED调制速度的影响，本实验通过将MQWs中GaN量子垒更换为InGaN量子垒，即在生长GaN量子垒时往MOCVD反应腔中通入少量In源，得到GaN量子垒的LED A和InGaN量子垒的LED B和LED C，LED B和C的量子垒In组分分别为1%和5%。

外延结构与条件与量子阱实验类似：使用MOCVD系统在c面蓝宝石衬底外延生长，衬底在1015℃下使用氢气清洁表面，然后在650℃下生长30nm的GaN buffer层，经过高温退火后先后生长2.5μm的本征GaN层和3μm的Si掺杂n型GaN层；随后，生长GaN/InGaN多量子阱作为有源区，量子垒的生长时间为4min(约10nm)，量子阱生长时间为2.5min(约3.5nm)；MQWs生长完毕后继续在900℃下生长12min(约150nm)的p型GaN层。LED A、B、C除了生长量子垒时的In源流量不同，其余条件一致。3个LED的结构示意图如图5所示。随后将LED制成芯片并封装为0.254mm×0.584mm(10mil×23mil)的LED封装体。

测试3个LED的频率响应，得到如图6(a)、(b)、(c)所示的频率响应曲线。在20，50，80mA时，LED A的3-dB带宽分别为15.3，24.3，30.5MHz，LED B的3-dB带宽分别为17.3，25.3，32.4MHz，LED C的3-dB带宽分别为45.4，52.1，57.5MHz。图6(d)为LED A、B和C的3-dB带宽随电流变化的对比图。其中，LED C的3-dB带宽最高，LED A的3-dB带宽最小。

图5 不同量子垒高度的LED A、B、C外延结构示意图。

Fig.5Epitaxial structures of LEDs with different quantum barrier height. The In content of quantum barrier in LED A, B, C is0,1%,5%, respectively.

图6(a)LED A在不同电流下的归一化频率响应曲线；(b)LED B在不同电流下的归一化频率响应曲线；(c)LED C在不同电流下的归一化频率响应曲线；(d)LED A、 B、C的3-dB带宽随电流变化的对比图。

Fig.6(a) Normalized frequency response of LED A at different currents. (b) Normalized frequency response of LED B at different currents. (c) Normalized frequency response of LED C at different currents. (d) Comparison of the3-dB bandwidth of LED A, B and C at different currents.

由公式(1)所示的ABCD复合模型可以看出，随着注入电流的增加，载流子浓度增加，导致LED的复合速率增加，所以LED的调制速度随电流增加而增大。LED B使用InGaN作为量子垒一方面使得量子阱与量子垒之间的压电极化电场效应得到显著缓解，提高了量子阱中电子与空穴的空间波函数重叠几率，提高了辐射复合速率，如图7所示，LED B的droop效应相对于LED A有所缓解，这也证实了上述论点；另一方面由于InGaN量子垒的In组分只有1%，对势垒高度的改变不明显，所以载流子溢出所导致的电子泄露复合机制所占比重与LED A相比相差不大，所以根据公式(4)，LED B的调制速度高于LED A。

当增加InGaN量子垒中的In组分至5%时，由于此时InGaN量子垒的势垒较低，所以对载流子的限制作用显著降低，即有源区中载流子浓度大大减小，载流子溢出导致的电子泄露复合成为重要的复合机制；另一方面，由于InGaN量子垒的材料质量也较GaN量子垒差很多，所以存在大量的缺陷，这就使得在电流较小时复合机制中与缺陷相关的SRH复合的比重提高。也就是说量子阱内的辐射复合机制一直没有成为主要的复合机制，这就不仅使LED C的EQE曲线没有明显的效率峰值，而且外量子效率较低，如图7所示。综上，对于LED C，电流较小时，由于SRH复合系数A的值较高，所以缺陷导致的SRH非辐射复合所占比重较大，而在电流增大时，量子垒势垒的降低导致的电子泄露加剧，导致LED的复合机制主要是缺陷辅助的俄歇复合和电子泄露复合，由公式(1)，这两种复合机制与载流子浓度分别呈三次方和四次方关系，复合速率非常高，使得LED C的调制带宽显著高于LED A和B。

图7 LED A、B和C的外量子效率随电流的变化。

Fig.7Comparison of the EQE of LED A, B and C at different currents.

3 结 论

本文通过设计不同的多量子阱结构研究载流子复合机制对LED调制带宽的影响。对于MQWs中量子阱宽度对调制速度的影响，由于窄量子阱LED的电子空穴空间波函数的重叠几率更高，且载流子泄露效应更显著，所以其载流子复合速率更快，调制速度更高。对于MQWs中量子垒高度对调制速度的影响，使用不同In组分的InGaN作为量子垒，当In组分为1%时，InGaN量子垒提高了辐射复合速率，所以调制带宽高于GaN量子垒LED；当In组分为5%时，电子泄露复合机制占据主要地位，且晶体缺陷导致的SRH复合和俄歇复合比重较大，而电子泄露复合和俄歇复合的复合速率都很高，所以LED的调制速度显著提高。

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