势垒硅掺杂对GaN基LED极化电场及其光电性能的影响

张正宜， 王 超

(1. 山西交通职业技术学院 信息工程系， 山西 太原 030031；2. 兰州交通大学 光电技术与智能控制教育部重点实验室， 甘肃 兰州 730070)

1 引 言

InGaN半导体材料具有纤锌矿晶体结构和直接能隙结构，通过改变In原子在InGaN中的比例，可实现从0.7 eV到6.2 eV的能隙调控，从而可以在整个可见光范围内通过电致发光[1-2]。InGaN LED被广泛应用到通用照明和显示领域。对于氮化物发光二极管器件来说，InGaN多量子阱结构是其最重要的组成部分。目前，对于InGaN多量子阱的材料结构设计及机理方面做了大量的研究工作，其中，包括量子阱p型掺杂、梯度量子阱、三角量子阱的设计等改变量子阱内的极化电场，采用lnGaN或者InAlGaN作为势垒材料来调节多量子阱中的应力[3]，对InGaN多量子阱垒层掺杂Si来改善器件的光学及电学性能[4-6]。势垒层n型掺杂对于提升MQWs及LED器件的性能起着至关重要的作用。目前都通过调控垒层掺杂生长LED结构进行表征及光电性能讨论。但对势垒层Si掺杂的理论机理探讨研究报道较少。目前，李国强等通过垒层Si掺杂来改善lnGaN绿光多量子阱的界面质量和电流的扩展性提高LED光电性能[7]；郭志友等通过垒层的n和p型掺杂提高LED的光输出功率[8]。DenBaars等通过势垒掺Si来提高激光器的光增益进而研究影响lnGaN量子阱的物理机制。

对lnGaN多量子阱LED研究中发现，量子垒的Si掺杂增加了电子载流子浓度，有利于屏蔽极化电场的作用[9-12]。然而，有关通过理论研究势垒层Si掺杂调控lnGaN多量子阱的电场变化的报道较少，其对器件光电性能影响的物理机制还需进一步探讨。本文通过理论仿真计算研究势垒层Si掺杂对lnGaN多量子阱电场的影响，从而获得调控lnGaN多量子阱极化电场的理论基础，进而改善lnGaN多量子阱LED器件的光电性能。

2 计算模型及参数

采用6×6 K·P方法计算了InGaN多量子阱LED结构，并研究了其光电性质。图1是GaN基LED结构示意图。N-GaN层的厚度为2 μm，掺杂浓度为6×1018cm-3；In0.2Ga0.8N(3.2 nm)/GaN∶Si (4.8 nm)多量子阱为11个周期；势垒层GaN∶Si掺杂浓度分别为：0，1e16，5e16，1e17，5e17，1e18，5e18，1e19，2e19，1e20cm-3；p-Al0.15Ga0.85N阻挡层的厚度为50 nm，掺杂浓度为5e17cm-3；p-GaN电极接触层掺杂浓度为2e19cm-3。仿真计算中带阶比ΔEc/ΔEv=0.7/0.3为默认参数。电子和空穴的迁移率分别为100 cm2·V-1·s-1和10 cm2·V-1·s-1，器件的工作温度为300 K，仿真计算中其他的半导体材料参数已被文献报道[13-14]。

图1 GaN基LED结构示意图

3 结果与讨论

InGaN/GaN量子阱区的内部电场是压电极化场和自发极化场共同作用的结果。图2为注入电流60 mA时，InGaN/GaN多量子阱区内的电场及电势分布图。随着势垒中掺杂浓度的增加，当掺杂Si浓度≤1e18cm-3时，势垒的右边界的电场变化不明显；当掺杂Si浓度≥5e18cm-3时，势垒的左边界的电场明显增加，如图2(b)所示。这主要是由于势垒层在低掺杂浓度时界面聚集的电子数量较少，电场较弱。而当掺杂浓度高时界面聚集的电子浓度增加。从图2(b)中可以观察到势垒的左边界的电场变化不明显，这主要是由于势阱的右边界有大量的空穴与势垒左边界的电子发生复合，导致势垒左边界聚集的电子数量减少。因此，增加势垒掺杂浓度提高了势垒与势阱界面的电场强度。势垒掺杂浓度的增加分布降低了势垒和势阱中的电场强度。

为了研究势垒不同掺杂对量子阱区非辐射复合的影响，分别讨论不同掺杂浓度势垒LED随注入电流变化的总的非辐射复合、肖克莱-霍尔-里德复合和俄歇复合的电流密度曲线，如图3所示。从图3(a)中可以观察到随着注入电流的增加，非辐射复合电流密度逐渐增大。这主要是由于非辐射复合主要由肖克莱-霍尔-里德复合和俄歇复合组成。掺杂浓度的增加可导致量子阱区的这两种方式复合几率增加。当注入电流为60 mA时，随着掺杂浓度的增加，总的非辐射复合电流密度逐渐增大，但变化幅度较小。这主要是由于在该电流下肖克莱-霍尔-里德复合与俄歇复合共同作用的结果。如图3(b)所示，在掺杂浓度<1e19cm-3时，肖克莱-霍尔-里德复合的电流密度变化较小，变化趋势是随着掺杂浓度的增加肖克莱-霍尔-里德复合的电流密度逐渐增大。然而，当掺杂浓度≥1e19cm-3时，SHR复合几率降低。如图3(c)所示，随着掺杂浓度的增加，Auger复合几率逐渐增加。这主要是由于非辐射复合几率和掺杂浓度与其相关的系数有关系[15]。

图2 注入电流为60 mA时，11个InGaN/GaN多量子阱中不同硅掺杂浓度势垒的内电场分布图(a)及其局部放大图(b)。

图3 不同掺杂浓度势垒LED随注入电流增加的非辐射复合电流密度变化曲线，其中包括总非辐射复合电流密度(a)、肖克莱-霍尔-里德复合电流密度(b)和俄歇复合电流密度(c)。

为了研究势垒Si掺杂对GaN LED的工作电压的影响，讨论了不同掺杂浓度势垒GaN LED工作电压随注入电流的变化，如图4(a)所示。从图4(a)中可以观察到当掺杂浓度<5e18cm-3时，随着注入电流的增加，工作电压变化量较大。当注入电流为60 mA时，工作电压达3.7 V左右；当掺杂浓度≥5e18cm-3时，随注入电流的增加，工作电压变化量较小。当注入电流为60 mA时，工作电压约3.1 V。势垒掺杂浓度的提高有利于GaN基LED工作电压的降低，工作电压的升高主要是由于量子阱中的电势变化较大引起的[7,10]。图4(b)是注入电流为60 mA时，不同掺杂浓度势垒的量子阱的电势变化图，从图中还可以看出随着势垒Si掺杂浓度的提高量子阱中的电势逐渐降低，掺杂浓度为0～1e18cm-3时，后面8个量子阱中的电势的变化幅度不大，基本保持一致。但掺杂浓度大于1e18小于5e18cm-3时，量子阱中的电势变化幅度较大，这可能是由于此时掺杂引起的电场对量子阱中的极化电场影响较大导致[16-17]。

从图5(a)中可以看出，当Si掺杂浓度≤5e18cm-3时，随着势垒掺杂浓度增加，峰值波长逐渐蓝移。这主要是由于Si掺杂减弱了压电极化场[18]；随着电流的增加，峰值波长发生蓝移，这主要是由量子限制斯塔克效应引起的[19]。当掺杂浓度>5e18cm-3时，随着注入电流的增加，峰值波长基本不变。这主要可能是由于掺杂浓度的提高导致量子阱中电子准费米能级上移，空穴的准费米能级发生了较大的倾斜导致[20]。图5(b)是不同掺杂浓度势垒的LED的内量子效率(IQE)随注入电流变化曲线图。随着注入电流的增加，IQE逐渐降低。这主要是由于电流的增加，p型GaN层的电势降低，从而降低了势垒的高度，导致载流子的泄漏增加[21]。当注入电流为60 mA时，掺杂浓度为1e18cm-3的IQE最高。为了解释不同掺杂势垒对IQE的影响，采用能带理论讨论量子阱中导带、价带、费米能级、电子和空穴的波函数的变化规律。图6是注入电流为60 mA时，不同掺杂浓度势垒InGaN LED多量子阱的能带图。

图4 不同掺杂浓度势垒LED的工作电压(a)随注入电流变化的曲线图和在注入电流为60 mA时的电势(b)变化图

图5 不同掺杂浓度势垒LED峰值波长(a)和内量子效率(b)随注入电流变化曲线图

图6 注入电流为60 mA时，不同掺杂浓度势垒GaN基LED多量子阱的能带图。

从图6中可以发现势垒掺杂浓度从0增加到5e1 7cm-3时，电子和空穴的准费米能级几乎未发生变化，说明导带中的电子浓度和价带中的空穴浓度保持不变。而这时导致内量子效率下降的原因主要是由于非辐射复合。从图5中可以看出随着势垒掺杂浓度的提高能带结构由倾斜变得水平，电子在导带上的注入效率下降，空穴在价带上的注入效率也开始下降。并且发现势垒掺杂浓度从1e18cm-3增加到1e20cm-3时，准空穴准费米能级左边突然上升，由此可知，空穴浓度在多量子阱中的分布变得不均匀，从右边往左边空穴浓度逐渐降低。这主要是由于空穴准费米能级上升导致的注入率下降，并加剧了电子和空穴波函数的分离[22-23]，进而证明了掺杂浓度>1e18cm-3量子阱内量子效率下降的原因。当掺杂浓度为1e18cm-3、注入电流为60 mA时，GaN基LED的内量子效率最高约72%，这主要是由于非辐射复合和能带变化共同作用的结果。

4 结 论

本文采用6×6 K·P方法从理论上研究了不同势垒硅掺杂浓度对GaN基LED量子阱中电场的影响规律，并对其光电性质进行了研究。发现当势垒硅掺杂浓度>1e18cm-3时，阱垒界面处的电场强度会变大，这主要是由于硅掺杂浓度过高导致量子阱中界面电荷的聚集。总非辐射复合和俄歇复合随着势垒掺杂浓度的增加而增加，而肖克莱-霍尔-里德复合随之减少，这是由于点陷阱的增大形成了缺陷能级导致。势垒掺杂有利于改善载流子的传输特性，从而降低GaN基LED的工作电压。适当的势垒掺杂降低了量子阱中界面电荷的损耗，当掺杂浓度为1e18cm-3、注入电流为60 mA时，GaN基LED获得了较高的内量子效率约72%。