氮极性AlGaN基隧道结深紫外LED

张源涛,邓高强,孙 瑜

(吉林大学 电子科学与工程学院,长春 130012)

0 引 言

AlGaN(Aluminum Gallium Nitride)基深紫外LED(Light Emitting Diode)具有安全环保、体积小、寿命长、节能等诸多优势,在杀菌消毒、生物医学检测、紫外线固化、工业光催化及照明等领域具有广阔的应用前景[1-3]。但目前AlGaN基深紫外LED的发光效率较低,外量子效率大多在10%以下[4]。而限制AlGaN基深紫外LED发光效率的主要原因之一是高Al组分AlGaN材料的P型掺杂困难,使深紫外LED器件的空穴注入效率较低、串联电阻较大[5-7]。已有研究表明,相比于目前广泛应用的金属极性AlGaN材料,氮极性AlGaN材料在深紫外LED制备方面具有潜力[8-9]。由于氮极性与金属极性AlGaN基LED中极化电场的方向相反,从而有利于提升载流子向量子阱有源区的注入并增强有源区对载流子的限制[10]。同时,在Al组分渐变增加(从0～0.3)的氮极性AlGaN薄膜中可实现高浓度的三维空穴气,空穴浓度达1×1018cm-3[11]。三维空穴气的形成使组分渐变AlGaN层的价带拉平、导带提升,不仅有利于LED器件空穴的传输,还有助于抑制LED器件电子的泄漏[11]。Zhao等[12]研究结果表明,在氮极性AlGaN基深紫外LED(～279 nm)结构中引入组分渐变p-AlxGa1-xN(x=0.65～0.75)作为空穴提供层兼电子阻挡层,可有效提高空穴注入效率、增加LED器件峰值发光效率并显著缓解LED器件在大电流下的效率下降(Efficiency droop)现象。

为进一步改善氮极性AlGaN基深紫外LED的光电特性,笔者在前期氮极性组分渐变AlGaN基深紫外LED结构基础上,引入了n+-GaN/AlGaN/p+-GaN隧道结结构。利用半导体器件模拟软件APSYS对该隧道结LED进行了光电特性的模拟仿真研究。半导体器件模拟软件是器件物理研究的工具,具有效率高、节省资金的特点,并对发现新的物理现象及器件设计具有重要作用。因此,将半导体器件模拟相关知识融入到“半导体器件物理”课程中,能有效提升学生对半导体器件物理知识的理解和探索。

1 器件结构和仿真模型

图1为APSYS模拟仿真中所构建的氮极性AlGaN基深紫外LED(～272 nm)器件的结构示意图。其中图1a为无隧道结参考LED器件的结构示意图,称该器件为LED-A。其件结构由3 μm硅掺杂浓度为5×1018cm-3的n-Al0.65Ga0.35N、5对Al0.65Ga0.35N(12 nm)/Al0.5Ga0.5N(2 nm)多量子阱(MQW:Multiple Quantum Well)有源区、100 nm沿生长方向Al组分由0.65向0.75渐变的p-AlxGa1-xN(Gradedp-AlxGa1-xN)和20 nm重掺的p+-GaN欧姆接触层组成。LED-A各层结构位于蓝宝石衬底(Sapphire substrate)上,其正、负电极分别设置在p+-GaN和n-Al0.65Ga0.35N表面,其横向尺寸均为25 μm。隧道结LED器件的结构如图1b所示。

图1 模拟仿真中构建的有/无隧道结AlGaN基深紫外LED器件的结构示意图

其在参考LED-A的基础上引入了n+-GaN(50 nm)/Al0.4Ga0.6N(4 nm)/p+-GaN(50 nm)隧道结结构,n+-GaN中硅的掺杂浓度和p+-GaN中镁的掺杂浓度分别为1×1020cm-3和4×1020cm-3。称该隧道结LED为LED-B。除隧道结外,LED-B的其余结构及材料参数与LED-A相同。

模拟实验中,肖克莱-瑞德-霍尔(SRH:Shockley-Read-Hall)复合寿命和俄歇复合系数分别设置为10 ns和1×10-30cm6/s[13-14],背景吸收系数和光提取效率分别设置为2 000 m-1和10%[15-16]。Alx1Ga1-x1N/Alx2Ga1-x2N异质结的导带带阶(ΔEc)和价带带阶(ΔEv)之比ΔEc/ΔEv设置为0.65/0.35。考虑缺陷导致的极化电荷屏蔽效应,LED各层材料的极化因子设置为-0.4[17-18],负号表示各层材料的极性均为氮极性。实验中应用的其他材料参数见文献[19]。APSYS模拟软件中涵盖了全面的材料和器件物理模型,其基于这些模型能进行泊松方程和载流子连续性方程等物理方程的求解计算,从而得到模拟器件的光电特性。

2 模拟结果与分析

图2为120 A/cm2电流密度下LED-A和LED-B在整个有源区内的电子浓度分布图,其中x轴代表横向距离,y轴代表纵向距离。图2中通过不同的颜色代表不同位置处电子浓度的对数,即log[电子浓度],电子浓度单位为cm-3。从图2可看出,LED-A和LED-B量子阱中的电子浓度峰值差异较小,均在1×1019cm-3附近。此外,LED-A量子阱中的电子在x轴0～50 μm范围内具有较高浓度,而在x轴50～200 μm范围内电子浓度快速降低,表明LED-A中的电子主要集中在正电极下方的量子阱中。对LED-B,可明显看到量子阱中电子浓度沿横向分布浓度差异较小,即LED-B中的电子不仅从正电极区域下方注入量子阱,还能沿横向扩展注入量子阱有源区中,使电子在量子阱中的横向分布更为均匀。

图2 120 A/cm2电流密度下LED器件量子阱有源区中的电子浓度分布

同时,模拟得到了120 A/cm2电流密度下空穴在LED-A和LED-B中量子阱有源区内的浓度分布情况,如图3所示。

从图3可看出,空穴浓度在LED-A和LED-B中量子阱横向的分布均匀性结果与电子浓度的分布结果相近。根据模拟结果,取点发现LED-A量子阱内的空穴浓度峰值为7.2×1018cm-3,而LED-B量子阱内的空穴浓度峰值为4.4×1018cm-3,低于LED-A的空穴浓度峰值。尽管LED-B的空穴浓度峰值仅为LED器件A的60%,但采用隧道结结构的LED-B在沿x轴方向上的空穴浓度分布更加均匀。从图3还可看出,LED-A仅在x轴0～50 μm范围内具有较高的空穴浓度,而结构B在沿x轴方向上始终维持着较高的空穴浓度,说明LED-B在整个有源区内部具有更高的空穴浓度,可为有源区的辐射复合过程提供更多的空穴。

载流子浓度在量子阱中横向的分布情况能直接决定量子阱中电子-空穴对辐射复合率的横向分布情况。图4为120 A/cm2电流密度下LED-A和LED-B中量子阱有源区内电子-空穴对辐射复合率的分布图。根据模拟结果,得到LED-A的辐射复合率峰值为1.19×1027cm-3·s-1,而LED-B的辐射复合率峰值为5.2×1026cm-3·s-1,约为LED-A的1/2。然而,LED-A的辐射复合仅局限在正电极下方0～50 μm区域内的量子阱中,而LED-B在器件量子阱的整个横向区域内(0～200 μm)均存在较高的辐射复合率。这是因为LED-B在量子阱整个横向区域具有较高浓度、较为均匀的电子和空穴分布,如图2和图3所示。因此,在深紫外LED器件中引入隧道结结构可以避免载流子在电极下方集中注入量子阱有源区,有利于改善LED的发光均匀性。需要注意的是,LED-A的电流主要在正电极下方集中注入,这会引起正电极下方量子阱区域积累高浓度的电子和空穴,过高浓度的空穴会增加俄歇复合率,不利于器件发光效率的提升。

图5a和图5b分别为LED-A和LED-B的内量子效率和光输出功率曲线。从图5中可看出,具有隧道结结构的LED-B的峰值内量子效率为61.3%,明显高于无隧道结结构LED-A的55.8%。另外,LED-A的内量子效率随电流密度增加下降的更明显,其在600 A/cm2注入电流密度下的内量子效率为49.1%,内量子效率相比峰值效率下降了12.0%。而LED-B在600 A/cm2注入电流密度下的内量子效率为58.6%,内量子效率相比峰值效率仅下降4.4%,约为LED-A效率下降量的1/3。为此,通过APSYS软件中所采用的内量子效率ηIQE的计算公式

图5 LED-A和LED-B的内量子效率、光输出功率和I-V特性曲线

(1)

对其进行研究,其中n为电子浓度,Irad=Bn2为辐射复合率,B为辐射复合率系数;Inonrad=An+Cn3为非辐射复合率,其中An为SRH复合率,A为SRH复合系数,Cn3为俄歇复合率,C为俄歇复合系数。通过式(1)可看出,俄歇复合率与载流子浓度的3次方成正比,其受载流子浓度变化的影响较大。LED-A正电极下方量子阱中较高浓度载流子的积聚会大幅增加俄歇复合率,使内量子效率偏低,尤其是在大电流密度下将产生较严重的内量子效率下降现象。对LED-B,其更强的电流扩展能力,使量子阱平面内的载流子浓度不易过高且更为均匀,可有效降低俄歇复合率,提升器件的内量子效率,并缓解器件在大电流密度下的效率下降。此外,从图5a的光输出功率密度曲线也可看出,LED-B的光输出功率密度大于LED-A,且其输出功率的差值随电流密度的增加而逐渐增大,表明LED-B具有更好的发光特性。

图5c为LED-A和LED-B的电流-电压特性曲线。可以看出LED-B具有更低的开启电压(～6 V),约为LED-A开启电压(～12 V)的一半。并且LED-B的电流值随电压的增大而快速增加,说明LED-B具有更低的串联电阻。假定器件尺寸均为200×200 μm2,则根据I-V特性曲线斜率计算出LED-A和LED-B的串联电阻分别为166 Ω和71 Ω。LED-B更低的串联电阻可有效降低器件工作时的产热量,同时也有利于提高器件的功率效率。以上结果表明,隧道结的引入不仅提升了氮极性AlGaN基深紫外LED的发光效率,还有效降低了器件的开启电压。

3 结 语

笔者采用半导体器件模拟软件APSYS,研究了带有n+-GaN/Al0.4Ga0.6N/p+-GaN隧道结结构的氮极性AlGaN基深紫外LED的光电特性。研究结果表明,与无隧道结结构的参考LED相比,隧道结LED的电流扩展能力大大增强,有效避免了电子和空穴在正电极下方量子阱中的集中积聚,提高了载流子在量子阱平面内较为均匀的分布,降低了俄歇复合率,提升了器件的发光效率和开启电压。该研究结果对高性能氮化物深紫外LED器件的制备具有指导意义。半导体器件模拟软件是器件物理研究的工具,具有高效率、节省资金的特点,并对发现新的物理现象及器件设计具有重要作用。如果学生在学习“半导体器件物理”课程的同时,加强对半导体器件模拟仿真的学习,将有助于对课程内容的深入掌握。