量子阱生长气压对InGaN/GaN黄光LED光电性能的影响

邱　岳，丁　杰，张建立，莫春兰，王小兰，徐龙权，吴小明，王光绪，刘军林，江风益

(南昌大学国家硅基LED工程技术研究中心，江西南昌　330047)

1　引　言

近年来，随着光效的不断提升，GaN基LED被广泛地应用于显示现象、交通信号灯、照明等领域。目前主流白光LED是基于蓝光LED激发荧光粉转化而成的，虽然其光电转换效率已远超白炽灯和日光灯，但光品质还不够高，主要表现在显色指数、色温和光效之间难以协调发展，且因白光中短波长蓝光占比过多，容易引起视觉疲劳。因此有必要发展一种光效和光品质均好的新技术，即显色指数、色温和光效之间能同步协调发展，且蓝光占比合理，人眼视觉舒适。配色LED是解决上述问题的有效途径，将不同颜色的高效LED混合形成白光可以获得显色指数、色温和光效协调发展的高品质光源。这种配色LED的技术关键在于提高长波长LED的光效，尤其是黄光的光效。相对于蓝光和绿光，黄光的禁带宽度小，需要引入大量的InN调节带隙［1］，过高的In组分会导致InGaN/GaN阱垒间晶格失配更大，由此产生的巨大的应力和相分离使得量子阱的晶体质量恶化［2］。有报道指出，InGaN/GaN量子阱的晶体质量是影响发光效率的重要因素，因为缺陷在一定程度上会影响GaN基LED的发光效率与可靠性［3-4］。因此，研究人员通过改变生长参数对晶体质量的改善进行了研究［5-12］。研究表明，生长气压对InGaN材料的晶体质量具有明显影响［10］，同时导致材料的光学性能有所差异［11］。对于黄光LED，生长气压对于器件性能影响的研究尚未有报道。本文通过改变黄光LED量子阱的生长气压，研究了器件的结构特性与光电性能的变化。使用高分辨率X射线衍射仪(XRD)、荧光显微镜(FL)表征了不同生长气压下的量子阱厚度、界面质量和In的分布情况，结合电致发光特性(EL)对器件的光电性能进行了研究。

2　实　验

本实验通过自制MOCVD外延生长系统在图形化硅衬底(111)面上生长外延薄膜材料，三乙基镓(TEGa)、三甲基铟(TMIn)、氨气(NH3)分别作为Ga源、In源和N源。图1是外延层的结构图。由下至上依次为Si(111)衬底、AlN缓冲层、n型GaN、27个周期的 InGaN/GaN超晶格、低温GaN层、8个周期InGaN/GaN量子阱、p型AlGaN电子阻挡层、p型GaN层。

图1　InGaN/GaN量子阱黄光LED结构示意图

实验中4个样品A、B、C、D的量子阱的生长气压分别为 4，6.65，10，13.3 kPa。由于 GaN 薄膜的生长速率是随反应室中压力变化的，所以我们通过调整MO源的流量使每个量子阱周期厚度保持在16 nm左右。其他条件均保持一致。标准LED器件的制备过程已有报道［13］。

3　结果与讨论

采用Instrument Systems公司生产的型号为CAS140CT的光谱仪和型号为ISP250-211的积分球，对InGaN/GaN量子阱黄光LED电致发光性能测试分析。图2是4个样品在300 K下的外量子效率(EQE)随电流密度变化曲线。可以看出样品A、B、C、D的EQE最大值依次升高，分别为 16.60%、23.07%、26.40%、27.66%。在小于效率最大值对应的电流密度(Jmax)时，样品A、B、C的EQE依次升高，这是由量子阱中的缺陷数目决定的。在小于Jmax的电流密度下，载流子优先填充量子阱中的深能级缺陷，发生非辐射复合，样品中缺陷数目越多，非辐射符合速率越大，同电流密度下EQE越低。所以，随着量子阱生长气压升高，阱中缺陷数目逐渐减少，样品A、B、C的EQE逐渐升高。当电流密度继续增加时，非辐射复合逐渐达到饱和，缺陷少的样品非辐射复合饱和对应的电流密度越小，所以样品A、B、C的Jmax逐渐向小电流密度方向移动。本实验中，气压的变化很可能对量子阱中的点在大于Jmax时，随着电流密度增加4个样品都出现了不同程度的droop，样品D的droop效应相比样品C更加明显。在20 A·cm－2的工作电流下，样品 A、B、C、D 的 EQE 分别为16.60%、19.77%、20.03%、19.45%。这是由于样品的晶体质量越好时，量子阱中的载流子浓度较高且更早达到饱和，饱和后载流子容易溢出有源区，俄歇复合的几率也会增加，导致随电流密度增加droop效应加剧［14］。而样品D的droop更加严重，可以归结为界面质量降低造成效率下降。模糊的阱垒界面对载流子的限制能力不足，进一步降低了辐射复合的几率［15］。在生长压力较高时，反应腔内的气体流速较慢，In的记忆效应更加明显，生长阱垒界面时仍有少量In残留在气相中造成组分波动，导致生长的外延层表面形貌比较粗糙，阱垒界面模糊。

图2　不同量子阱生长气压下，InGaN/GaN量子阱黄光LED的EQE随电流密度变化曲线。

如前所述，本文中器件的EQE主要受到缺陷数目与阱垒界面质量两方面的影响，随着生长气压的升高，量子阱中缺陷数目降低，Jmax所对应的最大EQE增大，但同时阱垒界面随着气压的升高而变差，对载流子限制作用减弱，从而会降低EQE。在较小电流密度下(Jmax以下)，缺陷引起的非辐射复合是影响EQE的主要因素，缺陷数目少则EQE高;在较大电流密度下(20 A·cm－2左右)，阱垒界面成为影响EQE的主因。在两种影响因素的竞争下，10 kPa下所生长的样品，在20 A·cm－2左右的工作电流下获得了最优性能。为了证实以上论断，我们进行了进一步的验证。

图3为使用Keithley公司生产的 Keithley 2635A恒流电源测试得到的4个样品在正向偏压下的I-V曲线。如图所示，当电压小于2.2 V时，在相同电压下，样品A、B、C的电流依次降低，样品D与样品C基本相同。在GaN基LED中，器件中存在的缺陷被认为是其主要的漏电通道，此时缺陷相当于与二极管并联的电阻，电压小于2 V时的电流大小主要与器件中的缺陷有关，而且缺陷越多，并联电阻越多，相同电压下的电流就越大。所以，当电压小于2 V时，样品A、B、C电流的依次降低表明了样品中的缺陷依次减少，样品的晶体质量逐渐提高。除前文提到的点缺陷外，In偏析形成的富In团簇相关缺陷也可能是导致漏电增加的原因。因此，样品A、B、C、D正向漏电流依次降低的现象进一步证实了量子阱中的缺陷数目随生长气压的升高而减少。

图3　样品 A、B、C、D在正向偏压下的I-V曲线。

使用 Panalytical公司生产的型号为 X'Pret PRO的高分辨率X射线衍射仪对样品A、B、C、D分别进行ω-2θ扫描，图4是4个样品的ω-2θ衍缺陷数目产生影响。量子阱生长气压偏低时，NH3的分压较低，量子阱中会以N空位的形式形成大量点缺陷，而气压较高时，单位体积内有效N原子的浓度较高，富N的生长环境会有效降低N空位的形成。而样品D的EQE与样品C相近，电流密度大于0.07 A·cm－2小于 Jmax时，样品D的EQE高于样品A、B、C。而在电流密度小于0.07 A·cm－2时，样品D的EQE小于样品C，可能原因为:在晶体质量较好的情况下，局域态可以提升辐射复合效率阻止非辐射复合的发生，样品C中局域程度较样品D更大(后文数据会详细说明)，小电流下载流子更容易被限制在局域态中发光，从而EQE更高。射峰曲线，图中标出了GaN衬底峰(S)、量子阱的0级峰(QW 0)和卫星峰(QW ±1、QW ±2、QW ±3)、超晶格的0级峰和卫星峰(SSRL 0、SSRL±1)，其中QW 0代表外延层中多量子阱InGaN/GaN的平均晶格常数，样品A、B、C、D的QW 0逐渐向GaN衬底峰靠近，说明4个样品的量子阱中In组分略有降低。并且，样品 A、B、C、D 的卫星峰 QW-1、QW-2、QW-3、QW-4峰间距近乎一致，说明4个样品的阱垒周期厚度基本相同。将XRD测试结果结合商业化模拟软件Jordan valley计算，样品A、B、C、D的阱垒周期厚度依次为 17.150，16.151，15.716，16.009 nm，本实验中每个量子阱周期厚度基本保持在16 nm左右。计算结果与衍射图像一致。随着量子阱生长气压的增大，InGaN/GaN量子阱的周期厚度基本一致，并入的In稍有减小。通过卫星峰的半峰宽可以判断阱垒间的界面粗糙度，阱垒界面粗糙度越大，会使卫星峰展宽增大［16］。样品A、B、C、D中，－1级卫星峰的半峰宽分别为121.9，136.4，144.2，148.5 arcsec。可见，随着气压增大，阱垒界面质量逐渐降低，样品A的界面最陡峭，而样品D的界面最粗糙。

图4　不同量子阱生长气压下的硅衬底InGaN/GaN量子阱黄光LED外延片的XRDω-2θ衍射峰曲线

图5(a)为4个样品的峰值波长随电流密度的变化关系曲线。首先，样品A的波长漂移最严重，样品B、C次之，样品D的波长漂移最小。影响波长漂移的可能机制有量子限制斯塔克效应(QCSE)和局域态效应。黄光量子阱中存在巨大的压电场，会导致能带倾斜，载流子注入量子阱后，倾斜的能带使电子-空穴对发生空间分离，分别聚集在阱的两侧，形成的电场与压电场方向相反。随着载流子的注入，对压电场的屏蔽作用加强使能带倾斜减轻，有效禁带宽度变大，所以波长会发生蓝移，波长蓝移程度与量子阱受到的应力大小有关。同时，局域态效应也会导致波长蓝移，该理论认为富In区域势能更低会形成局域态。小电流密度下，载流子被限制在局域态中，因此能级较低的深局域态先发光，In组分较高的样品中存在的局域态更深，发光波长更长，因此样品A在小电流下的峰值波长更长，B、C次之，D最短。当电流密度增大时，局域态中的载流子逐渐达到饱和，并开始填充更高能级，所以导致了峰值波长的蓝移，而载流子的局域效应越明显，波长的蓝移程度越大。

图5　不同气压下生长的InGaN/GaN量子阱黄光LED的峰值波长随电流密度变化曲线(a)和半峰宽随电流密度变化曲线(b)

图5(b)为半峰宽随电流密度变化曲线，在电流密度小于 10 A·cm－2时，样品 A、B、C、D 的半峰宽依次降低，这种变化规律也可能是QCSE和局域态效应导致的。由于载流子优先填充倾斜能带的底部，能带倾斜程度越大，在电流密度较小时半峰宽变化也越明显。考虑到局域态效应，小注入情况下，不同能级深度的局域态共同参与发光，载流子填充的局域态程度越深，相应的半峰宽也会越大。

为了进一步判断导致波长漂移与半峰宽变化的原因，研究量子阱的应变情况，扫描了4个样品GaN(105)对称的倒易空间mapping，见图6。图中红色虚线交叉中心为GaN对应的倒易空间位置，下方靠近GaN处黑色实线交叉中心为量子阱中InGaN的对应位置，根据Qx方向的偏移量，可以计算InGaN在a轴方向上的晶格弛豫量［2］。通过计算，在样品 A、B、C、D 中，GaN与InGaN对应的倒易空间位置偏移量基本相同，说明4个样品量子阱中所受应变基本一致。QCSE与图6中观察到的现象矛盾，局域态效应可能是引起波长漂移的主要原因。

图6　(105)对称倒易空间mapping局部放大图

图7　420～490 nm密集光源激发的荧光显微图像。(a)样品A;(b)样品B;(c)样品C;(d)样品D。

为了进一步观察量子阱中In的分布情况，使用Nikon C-HGFI荧光显微镜系统对样品进行观察。如图7所示，在420～490 nm波长激发下，4个样品的图像中均可以观察到黄光相和绿光相相间的形貌，样品A中可以观察到大量的黑点，随着气压的增大，样品A、B、C、D中的黑点数量显著减少。这是由于气压较低时，样品A的量子阱中In组分高且分布不均匀，这些In原子会在薄膜样品的表面成核或形成小的富In团簇，在量子阱中形成组分不均一的富In局域态［17］。由此可知，低压生长的外延薄膜中In团簇较多，高压生长的外延薄膜中In团簇较少。随着气压增大，样品中In含量减小，颗粒更加均匀，晶体质量有所提升。综上所述，通过局域态模型可以很好地解释波长漂移与半峰宽的变化，在4～13.3 kPa范围内，量子阱的生长气压越小，波长漂移越明显，半峰宽越大，这可能是黄光量子阱中的高In组分存在偏析。样品A、B、C、D的波长漂移量与半峰宽的变化代表了样品中局域态的多少，与荧光显微镜(FL)观测的形貌结果一致。

4　结　论

本文研究了MOCVD不同量子阱生长气压对InGaN/GaN黄光LED光电性能的影响。结果表明，随着量子阱生长气压的升高，In的并入量稍有降低且均匀性更好，量子阱中的In团簇和N空位等缺陷数目减少，晶体质量逐步提升，光学性能和正向电学性能也有提高。但是随着气压增大阱垒间的界面质量也会降低，使得界面对载流子的限制作用减弱，加剧电流droop效应，使器件在大电流下的EQE有所降低。在实验选取的4，6.65，10，13.3 kPa 气压下，EQE 的最大值分别为16.60%、23.07%、26.40%、27.66%，随着量子阱生长气压的上升而升高，而13.3 kPa生长的样品在大电流下(＞Jmax)的EQE随电流droop效应有所加剧。在20 A·cm－2的工作电流下，样品 A、B、C、D的 EQE分别为16.60%、19.77%、20.03% 、19.45%。综合来看，10 kPa生长的样品在工作电流密度下性能最优。