MOCVD生长高质量InGaN/AlGaN MQW紫光LED的研究

唐健江 刘波波 杨建锋 白俊春

【摘 要】本文利用LP MOCVD系统生长了InGaN/AlGaN MQW紫光LED外延片、并使紫光LED外延的产业化。通过XRD、PL、EL等测试手段对其性能进行表征。结果表明， 室温光致发光谱的峰值波长为380-400 nm之间，XRD测试半高宽FWHM为17.34 nm波长均匀性良好。制成的LED管芯，正向电流20mA时，EL测试正向电压Vf小于3.4V，反向电压Vz大于18V，亮度大于1.9mcd，漏电流小于0.02mA。并研究了Al掺杂垒含量对MQW紫光LED发光效率的影响，当Al含量为5%时，得到的多量子阱结构的晶体质量最佳。随着Al含量的继续增加，晶体质量下降和正向电压变小，同时发光效率也降低。

【关键词】InGaN/AlGaN；多量子阱；紫光LED；MOCVD

中图分类号：TN383，O484.4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）13-0177-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.13.081

0 前言

GaN是一种直接宽带隙、强原子键、高电子饱和速率和高热导率的半导体材料，可用来制备高稳定、长寿命、耐腐蚀、耐高温、耐辐射的短波长、大功率器件，如LED，LD，FET，紫外光电导传感器，反射滤波器等[1-2]。InGaN基紫及紫外光LED在生产和生活的各个领域有着广泛的应用[3-4]，典型的如氮化物白光LED照明灯，早期的白光LED采用蓝光LED激发黄光荧光粉，而最近的研究表明，采用紫及紫外光LED激发红绿蓝荧光粉，可以使白光色度更均匀，并且具有更高的转换效率。国内外学者，采用ELO、LEPS、MOCVD等技术，已成功研制出紫及紫外光LED[5-6]。李忠辉[16]等利用LP MOCVD 系统在蓝宝石（α-Al2O3）衬底的（0001）面上生长了InGaN/GaN MQW紫光LED 结构，光致发光测试表明，该结构的峰值波长为 399.5nm，FWHM为15.5nm，制成350μm×350μm的LED管芯后，正向注入电流为20mA时，正向工作电压在4V以下。目前的研究仍处于试验阶段，各项性能不佳。此外，紫光LED的 In含量比较低，由于对位错密度敏感，不易实现高功率输出。

本文将利用LP MOCVD系统生长InGaN/AlGaN MQW紫光LED外延片，促使紫光LED外延的产业化。通过XRD、PL、EL等测试手段对其性能进行表征。研究了Al掺杂浓度对MQW紫光LED性能的影响规律，Al含量的继续增加，晶体质量下降和正向电压变小，同时发光效率也降低。

1 实验

利用LP MOCVD系统在蓝宝石（α-Al2O3）PSS衬底的（000l）面上外延生长InGaN/AlGaN MQW LED结构。分别以蓝氨和高纯三甲基铟（TMIn）、三甲基镓（TMG a）为N，In，Ga源，SiH4和Cp2Mg分别作为n，p型掺杂劑。生长过程如下：1080 ℃高温处理衬底，经氮化后，降温至550℃生长25nm的GaN缓冲层，升温到1040℃使缓冲层重新结晶，Si掺杂的n-GaN层（厚度3μm），生长3个周期的不掺杂的超晶格，8个周期的InGaN/AlGaN（阱层InGaN厚度2.5nm，垒层AlGaN厚度10nm），生长P-AlGaN厚度8nm，Mg掺杂的P-GaN层（厚度14μm）。外延完成后，在N2气氛中700 ℃对外延片进行退火，30min。测试采用Xpert Pro PANalytical，扫描速度0.02°/s。光电性能及测试采用EL设备MPI prober-LEDA-8F-E3G plus，波长测试PL采用nanometrics rpm 2000，使用激光器波长为266nm、扫描速率30die/s。

2 结果与讨论

2.1 XRD分析

图1所示为垒掺杂不同Al含量的InGaN/AlGaN MQW紫光LED结构（0002）X射线衍射谱阱层InGaN 厚度为2.5nm， In组分约为17%，垒层AlGaN厚度为10nm。X射线衍射曲线半高宽是表征材料结晶品质的重要参数，（0002）X射线衍射摇摆曲线半高宽是GaN外延膜中位错密度的很好量度[7]。从图中可以看出，不同Al掺杂的InGaN/AlGaN MQW均出现了2级星峰，表明多量子阱结构的晶体质量较好。当Al含量为3%和4 %时，主相GaN的峰很明显，但二级峰InGaN不是很明显。随着Al含量的增加到5%时，除了GaN主峰外，二级衍射峰InGaN的强度逐渐增加，并达到最大。当Al含量的增加到6%时，InGaN的强度逐渐减小。垒掺杂Al有效降低MQW的内应力，从而提高电子空穴对的复合效率，内量子效应显著提高。当Al含量过量时，出现Al的析出，同时会改变InGaN/AlGaN固溶体的结构，而起到反向作用导致晶体质量下降。综上所述，当垒掺杂Al含量为5%时得到的多量子阱结构的晶体质量最佳。

表1为不同Al掺杂生长InGaN/AlGaN MQW紫光LED外延片的（002）和（102）晶面的X射线双晶衍射扫描半峰全宽（FWHM），每个样品测试中间和边缘位置2个点。从表1中可以看出不同Al掺杂外延片的（002）和（102）双晶衍射半峰全宽值均小于350，数值越小，表明样品的结晶性能也越好，测试结果和XRD摇摆曲线测试结果一致。

2.2 PL波谱分析

图2所示为不同Al掺杂生长InGaN/AlGaN MQW 紫光LED外延片的室温光致发光谱（PL）。由图可知，InGaN/AlGaN MQW紫光LED外延片的峰值发光波长大约为380-400 nm之间，波长均匀性较好。PL波峰强度随Al掺杂量的增加先增加后减小，当Al含量为5 %时，测试的PL波峰强度最高为0.75 mV，波长为386 nm，这主要由于Al掺杂使得MQW的势垒高度增加，从而有效地抑制了注入电子的溢出，量子效率大大提高。当Al掺杂量达到6%时，PL波峰强度又开始降低，同时波峰位置偏移，这说明随着Al掺杂量增大，MQW的峰值发光波长减小，禁带宽度增加。

2.3 性能分析

表2所示為不同掺杂试样在正向电流20mA时的EL测试结果，从表中可以看出随Al含量的增大正向电压Vf先增加后减小，而且掺杂量为5%时Vf达到最大为3.36V。和没掺杂的试样相比较，Al掺杂的试样波长出现了蓝移，亮度随着Al含量的增加基本趋势是减小的，这主要是因为测试仪器以可见光为吸收对象，随着Al含量的增加发光波长蓝移，发出的光中紫外光谱的含量逐渐增加，而可见光成分减小。随Al含量的增大，反向电压Vz和正向电压Vf变化趋势一致，先增加后减小，当掺杂量为5%时Vz达到最大为20.40V。漏电流IR随Al含量的增加先减小后增大，当Al含量达到5%时，最小为0.01mA。漏电流形成原因是隧道电流[8]。空间电荷区内缺陷形成的电流通道会增加隧道电流，而Si和Mg的高掺杂使电子从n-GaN的价带隧穿到p-GaN的导带会被杂质能级俘获而形成隧道电流，所以量子阱结构的晶体质量是决定漏电流大小的主要原因。

3 结论

本文利用LP MOCVD系统生长了 InGaN/AlGaN MQW紫光LED外延片、并使紫光LED外延的产业化。通过XRD、PL、EL等测试手段对其性能进行表征。结果表明， 室温光致发光谱的峰值波长为380-400nm之间，XRD测试半高宽FWHM为17.34nm波长均匀性良好。制成的LED管芯，正向电流20mA时，EL测试正向电压Vf小于3.4V，反向电压Vz大于18V，亮度大于1.9mcd，漏电流小于0.02mA。并研究了Al掺杂垒含量对MQW紫光LED发光效率的影响，当Al含量为5 %时，得到的多量子阱结构的晶体质量最佳。垒掺杂Al有效降低MQW的内应力，从而提高电子空穴对的复合效率，内量子效应显著提高。随着Al掺杂量增大，MQW的峰值发光波长减小，禁带宽度增加。

【参考文献】

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