载流子复合机制对InGaN绿光LED的Droop效应和调制带宽的影响

赵勇兵，钱晨辰

(盐城师范学院 物理与电子工程学院，江苏 盐城 224007)

引言

InGaN基发光二极管(LED)已经广泛应用于很多领域，比如通用照明、LCD背光、户外显示屏、汽车照明、景观照明等[1，2]。氮化物半导体材料的禁带宽度从1.9eV到6.2eV之间连续可调，理论上可以发射紫外到红光整个光谱[3]。InGaN基LED的内量子效率(IQE)随着驱动电流的增大而快速下降，这就是文献中报道的Droop效应[4]。迄今为止，科研人员提出了不同的理论来解释Droop效应，比如俄歇复合[5]、电子泄漏[6]、空穴注入不足[7]等。另外，同GaN基蓝光LED相比，长波长的InGaN绿光LED的Droop效应更加严重[8]。文献中报道了俄歇复合是引起Droop效应的主要原因[9]。传统的ABC模型被广泛应用于研究InGaN量子阱中的载流子复合动态过程。在这个模型中，内量子效率IQE=Bn2/(An+Bn2+Cn3),其中参数A为Shockley-Read-Hall(SRH),参数B为辐射复合系数，参数C为俄歇复合系数[10-14]。

InGaN基LED不仅在照明显示领域广泛应用，其作为光电子器件，还可以实现可见光无线通信[15]。同传统的无线通信技术相比，可见光通信具有安全性高、无电磁干扰、成本低等优点。LED器件的调制速率决定能否实现高速可见光通信，其调制速率与LED器件的载流子复合寿命以及电容有关[16]。借助于InGaN量子阱中的传统的载流子复合ABC模型计算载流子复合速率和载流子复合寿命，分析3db调制带宽与载流子复合机制的关系[17，18]。

本文主要研究载流子复合机制对 InGaN 绿光LED的Droop效应和调制带宽的影响。基于InGaN量子阱中传统的ABC模型，研究绿光LED在不同的有效有源区厚度下，IQE随注入电流的变化趋势；分析绿光LED在不同的有效有源区厚度下，载流子浓度随注入电流的变化；研究绿光LED在不同的量子阱宽度下，IQE随注入电流的变化；分析绿化LED在不同的有效有源区体积下，俄歇复合损耗随注入电流的变化；研究绿光LED在不同的注入电流下，Droop效应随有效有源区厚度的变化。同时，研究绿光LED在不同的有效有源区厚度下，3db调制带宽随注入电流的变化趋势；研究绿光LED在不同的量子阱宽度下，3db调制带宽随注入电流的变化趋势。

1 实验

本论文研究采用我们以前研究中的实验样品[19]。实验样品为采用MOCVD技术在C面(0001)PSS衬底上外延生长的InGaN基绿色LED。三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)、三甲基铟(TMIn)、氨气(NH3)、硅烷(SiH4)和环戊二烯(Cp2Mg)作为前驱体和掺杂剂。实验样品的外延结构由30 nm的低温GaN成核层、4μm非掺杂GaN层、3μm硅掺杂GaN层、12对In0.08Ga0.92N/GaN(2 nm/7 nm)层、16对In0.25Ga0.75N量子阱/GaN量子垒(3 nm/12 nm)，3 nm未掺杂AlGaN1层，40 nm Mg掺杂pGaN(pGaN1)，16 nm p型AlGaN电子阻挡层(AlGaN2)，200 nm的pGaN(pGaN2)、15 nm的Mg重掺杂p+GaN和2 nm的p-InGaN层。采用平面结构工艺制备InGaN基绿光LED，ITO和Cr/Al/Cr/Pt/Au金属分别为P电极和N电极的欧姆接触，二氧化硅作为器件的钝化保护层，器件的尺寸为20×40 mil2(0.5 mm2)。

2 分析与讨论

在传统的ABC模型中，内量子效率IQE的公式如下[10-12]：

(1)

同时，IQE的一阶近似的表达式如下[10-12]：

IQE=VacBn2/(I/q)

(2)

其中Vac是器件的有源区体积，B是辐射复合系数，n是器件的有源区内的载流子密度，I是注入有源区的电流，q是基本的电子电量。

文献中研究经常假设载流子在量子阱有源区均匀分布的，实际上是不均匀分布的，通过局限于富In区域[20]，特别是长波长的InGaN绿光LED，这就导致了实际的有效有源区体积(Veff)比物理体积(Vac)要小得多。在我们先前的研究中[11]，在设计的3 nm量子阱中，InGaN绿光LED的有效有源区厚度仅为0.24 nm，载流子浓度的实际值远远大于计算的数值。

因此，量子阱有源区中载流子浓度的表达式如下[10-12]：

(3)

在我们先前的报道中[19]，527 nm的InGaN绿光LED器件实现了53.3%的峰值外量子效率EQE，但是当器件的注入电流密度达到40A/cm2时，EQE仅为31.4%，即EQE下降了41%，如果要实现更高工作电流密度，EQE将会更加显著下降。在PSS衬底上制备的InGaN绿光LED的光提取效率LEE通常设定为0.8，IQE=EQE/LEE[11]。我们先前报道的527 nm的InGaN绿光LED器件的EQE和IQE数据如表1所示。

表1 InGaN绿光LED的EQE和IQE[19]Table 1 EQE and IQE of InGaN Green LEDs

在我们以前的研究报道中[11]，量子阱厚度为3 nm的InGaN绿光LED的有效有源区厚度Deff仅为0.24 nm，在接下来的ABC模型参数计算中，我们将Veff设定为1.2×10-10cm3。将表1中的数据代入公式(1)和(3)中，通过理论计算，得到ABC模型参数数值，A、B、C分别为1.36×107s-1、3×10-11cm3s-1、3.89×10-30cm6s-1。

通过理论计算，图1(a)为在不同有效有源区厚度Deff(0.24～3 nm)下，IQE随注入电流的变化趋势，图1(b)为在不同的量子阱层QW厚度(3 nm、4.5 nm、6 nm)下，IQE随注入电流的变化。随着有效有源区厚度或者量子阱层厚度的增加，在注入电流增大时，IQE下降趋势变缓，Droop效应的拐点电流明显增加，主要原因在于降低了有源区中载流子的浓度。然而，在C面蓝宝石衬底上生长厚的InGaN量子阱是一个巨大的挑战，厚的InGaN量子阱导致压电场强度增大，引起更强烈的量子限制斯塔克效应(QCSE)，以及更低的电子空穴波函数的重叠，这也在我们先前的研究报道中得到证实[12]，最后一个量子阱采用厚的量子阱生长工艺，实现了InGaN蓝光LED的Droop效应的下降趋势变缓，但是在实验中发现，器件的峰值IQE同窄的量子阱器件相比，下降非常明显，对于长波长的InGaN绿光LED，要生长厚的高In组分的量子阱工艺难度更大。

图1(a) 在不同有效有源区厚度Deff下，内量子效率IQE随注入电流的变化趋势Fig.1(a) Curve:The internal quantum efficiency (IQE)varies with the injection current at different effective active region thickness图1(b) 在不同的量子阱层QW厚度下，内量子效率IQE随注入电流的变化Fig.1(b) Curve:The internal quantum efficiency (IQE)varies with the injection current at different thickness of quantum well layer

通过理论计算，图2显示了在不同的注入电流下，Droop效应下降率随着有效有源区厚度的变化。可以看出，在不同的注入电流下，随着有效有源区厚度的下降，Droop效应下降非常明显。为了进一步研究Droop效应的机制，图3为载流子浓度随注入电流变化的曲线图。由图3可以看出，随着有效有源区厚度的减小，载流子浓度随着注入电流的增大而显著提高。在特定的注入电流下，随着有效有源区厚度的减小，载流子浓度明显增大，原因主要是载流子的局域化效应。由于In组分在InGaN量子阱中分布是非常不均匀的，载流子主要集中在富In区域，特别是长波长的高In组分的InGaN绿光LED，这导致富In组分的绿光LED的有效有源区厚度非常小，从而引起有源区中载流子浓度的增大。随着注入电流的进一步增大，由于更强的载流子局域化效应而导致的载流子浓度的快速升高，引起更高的俄歇复合损耗，从而加剧Droop效应。图4所示为在不同的有效有源区厚度下，俄歇复合损失比随注入电流的变化趋势。由图4可以看出，俄歇复合损失比非常依赖于有效有源区的厚度。在低注入电流下，俄歇复合损失比随着注入电流增大而快速上升，在大的注入电流下，俄歇复合损失比接近于饱和状态，上升速率很慢。随着有效有源区的厚度下降，俄歇复合损失比上升，主要归结于载流子浓度的快速上升。

图2 在不同的注入电流下，Droop效应下降率随着有效有源区厚度的变化Fig.2 Curve:The drop rate of droop efficiency varies with the thickness of active region under different injection current

图3 载流子浓度随注入电流变化Fig.3 Curve:The carrier concentration varies with the injection current

图4 在不同的有效有源区厚度下，俄歇复合损失比随注入电流的变化Fig.4 Curve:The Auger recombination loss ratio varies with the injection current at different effective active region thickness

借助于InGaN量子阱中的传统的载流子复合ABC模型，载流子复合速率表达式如下[18]：

R(n)=An+Bn2+Cn3

(4)

载流子复合寿命与复合速率的表达式如下[18]：

(5)

LED的调制带宽与载流子复合寿命的表达式如下[17，18]:

(6)

将公式(4)和(5)代入公式(6)，表达式如下[18]：

(7)

通过理论计算，图5(a)为在不同有效有源区厚度Deff(0.24～3 nm)下，绿光LED的调制带宽随注入电流的变化趋势，图5(b)为在不同的量子阱层QW厚度(3 nm、4.5 nm、6 nm)下，绿光LED的调制带宽随注入电流的变化。由图5(a)可以看出，随着注入电流的增大，调制带宽明显增大，这与载流子浓度n有关；在相同的注入电流下，随着有效有源区厚度的增加，调制带宽明显下降，在500 mA的注入电流下，调制带宽从684 MHz下降到85 MHz。由图5(b)可以看出，在相同的注入电流下，随着InGaN量子阱宽度的增加，调制带宽有所下降，在500 mA注入电流下，调制带宽从684 MHz下降到372 MHz。为了提高LED的调制带宽，尽可能的降低有效有源区厚度或者降低量子阱的厚度，这与降低绿光LED的Droop效应是相矛盾的。

图5(a) 在不同有效有源区厚度Deff下，绿光LED的调制带宽随注入电流的变化Fig.5(a) Curve:The modulation bandwidth of green LED varies with the injection current under different effective active region thickness图5(b) 在不同的量子阱层QW厚度下，绿光LED的调制带宽随注入电流的变化Fig.5(b) Curve:The modulation bandwidth of green LED varies with the injection current at different quantum well layer thickness

3 结论

从实验样品中分析数据，提取绿光LED的ABC模型参数。基于ABC模型，经过理论计算，随着有效有源区厚度或者量子阱层厚度的增加，在注入电流增大时，内量子效率IQE下降趋势变缓，Droop效应的拐点电流明显增加；在不同的注入电流下，随着有效有源区厚度的下降，Droop效应下降非常明显。在低注入电流下，俄歇复合损失比随着注入电流增大而快速上升；在高注入电流下，俄歇复合损失比接近于饱和状态，上升速率很慢。随着有效有源区的厚度下降，俄歇复合损失比上升。随着注入电流的增大，绿光LED的调制带宽明显增大。在相同的注入电流下，随着有效有源区厚度的增加，调制带宽明显下降；在500 mA的注入电流下，调制带宽从684 MHz下降到85 MHz。在相同的注入电流下，随着InGaN量子阱宽度的增加，调制带宽有所下降；在500 mA注入电流下，调制带宽从684 MHz下降到372 MHz。