采用AlGaN组分渐变的底层量子势垒深紫外LED研究

黄 晶，杨 辉，杨 龙

（上饶职业技术学院，江西 上饶 334109）

汞灯被称为紫外光的发生设备，其主要用于医疗器械、杀菌和检测。由于汞灯耗电量大，体积大，寿命短，需要预热10 min才能完全发光，难以普及。而深紫外LED易于安装在机器上，并具有很好的安全性，工作电压约5～7 V，尺寸仅几毫米，预热时间短，寿命长，抗冲击能力强。深紫外LED打破了汞灯的局限性，然而仍有技术弱点，比如：光效比汞灯差，生产技术不成熟。深紫外LED低发光效率是由于高位错密度引起的螺旋复合，低势垒高度引起的电子泄漏，量子阱中大静电场引起的弱载流子限制能力。为解决上述问题，Sun等［1］研究了具有AlGaN／GaN超晶格电阻挡层的AlGaN基深紫外LED，以减少电子泄漏。Zhang等［2］研究Al降低渐变的AlGaN电子阻挡层以限制电子溢出并提高深紫外LED的空穴注入效率。深紫外LED的底部使用Al渐变组分AlGaN量子势垒，减少由于计划效应产生的静电场，从而提高深紫外LED的载流子注入效率。结果表明，该结构的深紫外LED光输出效率比常规结构高。

1 结构和参数设计

如图1所示，常规结构（结构A）在C面蓝宝石衬底上生长［3］，然后是3μm Si掺杂的n型Al0.55Ga0.45N外延层（n掺杂＝2×1018cm-3），有源区由6个10 nm Al0.55Ga0.45N势垒层夹着5个2 nm Al0.45Ga0.55N阱层组成，在最后一个势垒的顶部是20 nm p型Al0.6Ga0.4N EBL（p掺杂＝1×1019cm-3）和10 nm p型Al0.55Ga0.45N层（p掺杂＝1×1019cm-3），在结构顶部沉积100 nm p-GaN层（p掺杂＝3×1019cm-3）。对于第2种结构（结构B），其结构与常规结构相同，只是底部量子势垒被未掺杂的渐变Al组分的AlGaN代替，其由3 nm Al0.45Ga0.55N、4 nm Al0.5Ga0.5N和3 nm Al0.55Ga0.45N从下到上组成。

图1 深紫外LED外延结构示意图

2 结果分析

图2为结构A和结构B在120 mA下的静电场分布和量子阱静电场分布放大图。从图2可以看出，结构B在底部使用梯度分量的AlGaN量子势垒，其静电场小于结构A，这将有利于量子阱限制更多的载流子。特别是在底部量子阱处，结构B的静电场远小于结构A，这将允许更多载流子限制在底部量子阱中。

图3展示了2种结构的电子和空穴在量子阱中的浓度分布。结果表明，结构B比常规结构A的电子和空穴浓度都要高，这归因于结构B的低静电场带来的高载流子限制能力。

图2 注入电流120 mA下深紫外LED的静电场分布

图3 量子阱中电子和空穴浓度分布

随注入电流变化的内量子效率和光功率输出如图4所示。从图4（a）可以看出，结构B的内量子效率总体趋势高于结构A，结构A的最大内量子效率为0.32，结构B的最大内量子效率可达0.46。这充分说明结构B底部使用了渐变成分AlGaN量子势垒的结构，具有更好的光学性能。图4（b）为2种结构的光输出功率，随着注入电流的增加，光输出功率增加，但结构B比结构A的表现更好。当电流为120 mA时，结构B的光输出功率为19.6 mW，结构A为11.9 mW，结构B的光输出功率比A高出64.7%。这一结果也说明结构B在光学性能上有很大的提升。

图4 内量子效率与光功率输出

3 结论

AlGaN组分渐变的底层量子势垒深紫外LED的静电场比常规结构低，可以提高载流子的注入效率。因此，采用Al组分渐变的AlGaN底部量子势垒深紫外LED具有更高的内量子效率和光输出功率。