多量子阱垒结构优化提高GaN基LED发光效率研究

游瑜婷

摘 要：为了解决由于极化效应引起的漏电流影响发光效率的问题，以k.p理论为基础建立多量子阱模型，分析研究了GaN基LED中不同的InGaN/InGaN多量子阱发光层势垒结构。基于化合物半导体器件的电学、光学和热学属性的有限元分析，设计与优化多量子阱中靠近P型AlGaN电子阻档层倒数第二层势垒，显著提高了光输出功率，减少漏电流.数值模拟分析表明，改良多量子阱势垒能够大幅提高高亮度、高功率器件结构光电特性。

关键词：GaN基LED 多量子阱 InGaN 垒结构

中图分类号：0471 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（c）-000-04

以氮化镓（GaN）为代表的Ⅲ-V族氮化物材料在近十年来得到广泛研究，发展及应用。GaN基高效发光二极管具有寿命长、节能、绿色环保等显著特点，已被广泛应用于大屏幕彩色显示、汽车照明和交通信号、多媒体显示、光通讯等领域.但是，实验研究表明GaN基半导体发光二极管的发光效率会受一些因素影响，其中包括由极化效应引起的漏电流[1-2]，俄歇复合[3]，较高结温[4]，较低的空穴注入效率[5-6]等等。

这些问题均已经严重制约了GaN基半导体发光二极管作为高亮度、高功率器件在照明领域的商业应用，因而受到了全世界GaN基半导体发光二极管研究者和制造者得广泛关注，大量的资金投入到研究和改善工作中。

Ⅲ族氮化物较大的自发极化常数和压电极化常数可导致很强的自发极化电场和压电极化电场。极化效应使InGaN/GaN多量子阱结构的带边由方形势变成三角形势，并使电子和空穴的分布产生空间分离从而减小发光效率。

Shim[7]等研究了不同形状的量子阱的发光效率，发现梯形阱比方形阱和三角阱的发光效率要高，重现性要好.而针对In组分梯度变化的量子阱结构的研究还是比较少，实验上也不多。对此，该文做了一些相关计算模拟用来说明该结构的显著效果。

该文以k.p理论为基础，结合多能带底有效质量修正，根据量子阱的多体增益和自发发射模型，表面电荷自发极化作用的自洽量子约束和运输模型，建立了多量子阱结构，保持了非有源区结构参数不变，通过设计与优化多量子阱中不同势垒层，分析对比相应的光输出功率图谱，提出了一种高效的量子阱结构，并对该结构进行分析研究。

1 结构与参数优化

1.1 LED外延结构模型

依据压电理论[8]基础，利用有限元分析方法，以漂移-扩散模型和电流连续方程[9]为基础，通过自洽求解泊松方程建立如下外延结构模块[10]包括3 um的n-GaN层（n型掺杂浓度为）；有源层由6层10 nm的势垒与5层4nm相间组成；20 nm的p-电子阻挡层（p型掺杂浓度为）；15 nm的p-层（p型掺杂浓度为）。该装置的几何模型为300 μm×300 μm的正方形，结构如图1所示。

其中、、分别为AlN、GaN、InN的压电极化参数。LED装置的内吸收设定为500 m-1，操作温度设定为300 K。为了简化仿真，光的提取效率设定为0.78。其他半导体材料的参数设定参照参考文献[13]。

2.2 量子阱势垒参数对比优化

根据上述的外延结构对有源层的6层10nm势垒分别进行优化处理，方法为以2nm-/2nm-/2nm-/2nm-/2nm-结构的势垒（其中x值沿外延生长方向逐渐增加）替代原来10 nm的结构的势垒，如图2所示。

图中x表示InGaN中In的含量。按照图2所示方式对6层势垒结构分别进行优化，发现最靠近P型AlGaN电子阻挡层的倒数一二层势垒对光输出功率有增强作用，其余势垒结构对其影响不大甚至有减弱作用。该仿真结果与实验结果：Ⅲ族氮化物多量子阱结构的发光主要来源于靠近p区的量子阱相符合。因此采取对比排除法，依据只优化倒数一二层与不优化倒数一二层思路，设置了只优化倒数第一层势垒，只优化倒数第二层势垒，共同优化倒数第一二层势垒以及不优化倒数一层，不优化倒数二层，倒数一二层均不优化这六组，最后再设置一组全部优化的对照组⑦。具体优化步骤如下表1所示。

表中只是显示出6层势垒结构，而忽略5层阱结构。上表中倒一层表示最靠近P型AlGaN电子阻挡层的势垒，其余行意义依次类推可知.√处表示对势垒层进行了如图2所示的优化处理，而空白处表示未做任何处理。根据上表对应的外延结构一一进行仿真，对比分析不同组的光输出功率图得出一种最优的量子阱结构模型。

2 结果与讨论

2.1 优化量子阱的仿真结果

按照第2部分的表1进行仿真，得到8组光输出功率图谱（L-I曲线）。根据光输出功率优于基准与劣于基准，将该8组进行分组对照绘制，分组如下表2所示。

根据图3与图4的仿真结果可知，组一中结构②的L-I曲线远优于基准等其他结构，而组二中的则以基准的L-I曲线最优，由此可知，组一中的结构②优化效果最佳.也即是通过设计与优化多量子阱中靠近P型AlGaN电子阻档层倒数第二层势垒，能够显著提高光输出功率。

2.2 分析与讨论

根据上述结果，以下均将最佳优化效果②与基准进行对比分析.两种模型仿真的光输出功率图绘制如图5所示。可知在电流低注入时候，两种结构的光功率差异不大.随着注入电流的增加，两种结构的输出光功率差异逐步加剧。结构②几乎呈现线性快速增長，而基准结构的光输出功率只是缓慢增长.当注入电流为350 mA时候，结构②的光输出功率几乎为基准结构的6倍

左右。

为了解释上述现象，图6（a）为基准的能带图，可知InGaN/InGaN多量子阱结构在极化电场的影响下，导带和价带的边带变成了三角形势。这主要是由于极化效应在量子阱中产生极化电场。电场的存在使多量子阱结构中各层沿着生长方向上产生压降，压降正比于该层的电场强度和厚度，进而极化效应的存在使得边带形状发生改变。

圖6（b）为靠近p-AlGaN倒数第二层势垒的放大能带图.由于斜三角势垒的存在，产生了量子限制斯塔克效应（QCSE）[14]，使得电子向能级低得方向即导带的三角带边和空穴向能量高的方向即价带的三角带边移动，导致电子和空穴分别向不同侧边聚集，从而减少载流子复合几率。这些都会导致大的漏电流，使得多量子阱结构发光效率低。按照图2所示的优化方法，势垒带边由三角形变成了方形，如图7（a）所示为结构②的能带图.不同于基准的能带图，结构②中靠近p-AlGaN倒数第二层的势垒呈现梯形结构，如图7（b）所示。

这样能够大大削弱极化电场作用，特别是压电极化作用，有效限制电子和增加空穴的注入，减少漏电流，增强阱区收集载流子的能力，增加了俘获电子和空穴的概率，从而使得电子与空穴之间能够达到高效复合.另一方面势垒中In含量沿外延生长方向线性增加能够释放应力，相应的减小压电极化，电子空穴波函数空间交叠得以加强，使得光学跃迁矩阵元增大[15]，有效地减少了非辐射复合，提高了多量子阱结构的发光效率，从而使量子阱的性能达到最优状态，符合Shim等研究结论。

3 结语

该文针对由于极化效应引起的漏电流影响发光效率的问题，基于k.p理论建立多量子阱模型，分析研究了GaN基LED中不同的InGaN/InGaN多量子阱发光层势垒结构，设计出一种高效的量子阱结构.该量子阱结构能够显著提高光输出功率，减少漏电流，性能远优于其他结构.数值模拟分析表明，设计与优化多量子阱中靠近P型AlGaN电子阻档层倒数第二层势垒能够大幅提高高亮度、高功率LED器件的光电特性。

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