低In 组分量子阱垒层AlGaN对GaN基双蓝光波长发光二极管性能的影响

罗长得，严启荣，李正凯，郑树文，牛巧利，章 勇

(华南师范大学光电子材料与技术研究所，广东广州510631)

近年来，由于氮化物白光发光二极管(LED)具有体积小、寿命长、高效节能等优点，受到了极大的关注和发展.它被誉为继白炽灯、荧光灯、气体放电灯之后的第四代照明光源. 但LED 显色指数较低不利于其发展.我国的LED 照明设计标准规定的显色指数必须达到80，自然光的显色指数为100.目前绝大部分白光LED 是通过蓝光芯片发射的部分蓝光激发YAG:Ce 黄色荧光粉产生黄光与部分未被吸收的蓝光耦合成白光［1］，在高色温情况下能满足较高的光效和显色性，但是在低色温情况下，显色指数一般不高于70. MIRHOSSEINI 等［2］通过模拟结果显示基于双蓝光波长芯片激发YAG:Ce 荧光粉，能在保持流明效率的同时得到高显色指数的白光LED.本研究组采用混合多量子阱结构的GaN 基双蓝光波长芯片激发YAG:Ce 黄色荧光粉实现了白光LED，显色性达到了88，但其发光光谱随着驱动电流的改变而变化［3］.

在GaN 基材料中，由于电子的有效质量(0.2 m0)远低于空穴的有效质量(1.1 m0)，使得电子的迁移率远大于空穴的迁移率，电子容易穿越活性层而堆积在靠近p-GaN 侧的量子阱层，甚至溢流出有源层，相反，空穴比较难穿越活性层而限制在靠近p-GaN 侧的量子阱，这样使得电子和空穴的浓度在不同阱中分布不均匀，导致电子空穴复合发光绝大部分发生在靠近p-GaN 侧的几个量子阱内，David等［4］通过光谱测量也证实了GaN 基多量子阱LED的复合区主要集中在靠近p-GaN 侧的量子阱内. 这点在单波长LED 结构中电子空穴的分布不均匀对电致发光(EL)光谱影响不大，但在混合多量子阱的双波长LED 中电子空穴分布不均匀对EL 光谱产生严重影响. 本文采用数值模拟方法，通过在InGaN/GaN 混合多量子阱中的低In 组分AlGaN 垒层来优化双蓝光波长LED 的性能，深入分析低In 组分Al-GaN 量子阱垒层对双蓝光波长LED 的发光效率、电子空穴浓度分布、发射光谱等方面的影响，探索光谱稳定的高效率双蓝光波长LED 芯片的设计方法.

1 模拟参数与器件结构

1.1 模拟参数

Crosslight 公司的半导体器件模拟专用软件APSYS (Advanced Physical Models of Semiconductor Devices)［5］是利用各种物理模型模拟各项特性与结果. 在模拟中利用二维有限元分析方法，以漂移－扩散模型和电流连续方程为基础，结合边界条件自洽解泊松方程，得到LED 器件的电学和光学特性.

本文使用的三元材料InGaN 和AlGaN 的能带间隙为二元化合物的线性叠加和弯曲项［6］，由下式表示:

其中，Eg(InN)、Eg(AlN)与Eg(GaN)分别表示InN、AlN 与GaN 的能带间隙，而B1和B2分别是InxGa1－xN 和AlxGa1－xN 的弯曲系数.

在氮化物半导体器件各层界面中，考虑内建极化效应机制，其中极化效应包括自发极化和压电极化［7］. 在模拟中，三元材料InGaN 和AlGaN 的极化效应公式如下:

自发极化为

压电极化为

其中，

其中，ε 为基板与薄膜结构间的应变或称晶格不匹配，表示为:

其中，asub为基板晶格常数，a 为薄膜晶格常数.

在实际情况中由于内部的极化电场会受到自由电荷、受激载流子、材料缺陷和杂质的屏蔽与补偿［8］，导致实际的极化电场值小于计算值，本文使用理论值的50%进行模拟计算.

1.2 器件结构

采用InGaN/GaN 混合多量子阱结构的发光二极管用于实现双蓝光波长发射，器件尺寸为300 μm×300 μm(图1). 从下到上依次为GaN 缓冲层、厚度为2 μm 的μ-GaN、厚度为3 μm 的n-GaN 层(掺杂浓度为5 ×1018cm－3)、活性层、厚度为20 nm 的p-AlGaN 电子阻挡层(掺杂浓度为7 ×1017cm－3)、厚度为200 nm 厚的p-GaN 层(掺杂浓度为7 ×1017cm－3)，活性层包括2个周期的In0.18Ga0.82N/GaN 量子阱和2个周期的In0.12Ga0.88N/GaN 量子阱，所有量子阱的阱层和垒层厚度分别为3 nm 和12 nm(图1A). 将低In 组分量子阱垒层用Al0.08Ga0.92N 层来替代GaN 垒层，而将介于高In 组分量子阱和低In组分量子阱之间的间隔层由原来12 nm 厚的GaN层改为6 nm 厚的GaN 层和6nm 厚的Al0.08Ga0.92N组成，其它结构不变(图1B).

图1 双蓝光波长LED 的结构Figure 1 Schematic structure of the dual-blue LEDs

混合多量子阱采用高In 组分量子阱在活性层底层的原因:一方面是由于量子阱的束缚作用与量子阱的深浅有关，In0.12Ga0.88N/GaN 量子阱相对In0.18Ga0.82N/GaN 量子阱较浅，对空穴的束缚作用较小，使部分空穴更容易注入到高In 组分的量子阱中，从而平衡高In 组分量子阱和低In 组分量子阱中的空穴浓度;另一方面，光从顶部发射而出，高In组分量子阱辐射发出的光子能量比低In 组分量子阱的小，可以降低高In 组分量子阱发出的光子在低In 组分量子阱的吸收. 本文通过数值模拟分析Al-GaN 层替代GaN 层作为低In 组分量子阱垒层对双蓝光波长LED 的影响，详细对比了LED 光效和光谱的稳定性.

2 结果与讨论

2.1 AlGaN 作为低In 组分量子阱垒层对双蓝光波长LED 性能的影响

GaN 与AlGaN 分别作为低In 组分量子阱垒层时，双蓝光波长LED 的内量子效率与电流的变化关系如图2 所示. AlGaN 垒层能有效改善其发光效率在大电流下的衰减(Efficiency Droop). GaN 垒层其内量子效率一直低于80%，并随着电流的增大而减小. 而AlGaN 作为低In 组分量子阱垒层，其内量子效率在3.45～120 mA 范围内却一直保持在90 %以上，内量子效率没有明显下降的趋势. 在120 mA时，AlGaN 垒层LED 的内量子效率比GaN 垒层LED的高出23.7 %. 图3 表示相应双蓝光波长LED 发光功率随电流的变化关系，器件的发光功率都随电流的增大而增大，但是GaN 垒层LED 的发光功率增幅明显低于AlGaN 垒层LED. 在120 mA 时，AlGaN 垒层LED 的发光功率比GaN 垒层LED 的高出26.8 mW.

GaN 和AlGaN 分别作为低In 组分量子阱垒层时，双蓝光波长LED 在120 mA 时电子和空穴的浓度分布如图4 所示. 结果显示，AlGaN 垒层能有效改善电子和空穴在混合多量子阱层的分布. 在图4A 中，当低In 组分量子阱垒层使用AlGaN 垒层来替代GaN 垒层时，靠近间隔层的2个量子阱中电子浓度显著提高，而靠近p-GaN 的低In 组分量子阱的电子浓度明显降低. 此外，AlGaN 垒层可提高低In组分量子阱中的空穴浓度，特别是紧邻间隔层的低In 组分量子阱的空穴浓度比传统结构LED 提高了9 倍以上，而其它量子阱的空穴浓度几乎不变(图4B). 这主要是由于低In 组分量子阱垒层用AlGaN替代GaN 改善了空穴的注入能力和低In 组分活性层对载流子的限制能力，导致各量子阱中的电子和空穴浓度都比较均匀.

图2 GaN 垒层与AlGaN 垒层的双蓝光波长LED 的内量子效率Figure 2 The internal quantum efficiency of two dual-blue LEDs with GaN barriers and AlGaN barriers

图3 GaN 垒层与AlGaN 垒层的双蓝光波长LED 的发光功率Figure 3 The light output power of two dual-blue LEDs with GaN barriers and AlGaN barriers

图4 双蓝光波长LED 在120 mA 时电子(A)和空穴(B)的浓度分布Figure 4 Concentration distribution of electron (A)and hole (B)in the two-blue LEDs at 120 mA

图5 表示GaN 和AlGaN 分别作为低In 组分量子阱垒层的双蓝光波长LED 在120 mA 时的辐射复合率分布. 结果显示，当低In 组分量子阱垒层使用AlGaN 替代GaN 后，紧邻间隔层的低In 组分量子阱的辐射复合率增大，从而使其总辐射复合率迅速提高并达到与高In 组分量子阱的复合率相当. 在GaN 基材料中，由于空穴的迁移率远低于电子的迁移率，导致电子更容易穿过活性层而达到p-GaN侧. 从图4 可以看出，传统GaN 垒层LED 的所有量子阱层中空穴浓度明显低于电子浓度，导致电子空穴在各个量子阱中不能平衡辐射，存在电子过剩的现象. 同时，由于载流子更容易被活性层中最深的量子阱捕获，因此，低In 组分量子阱中的载流子浓度非常低，导致低In 组分量子阱的辐射复合率明显低于高In 组分量子阱. 低In 组分量子阱垒层使用AlGaN 替代GaN，能有效提高空穴的注入能力和进一步限制载流子在低In 组分量子阱中，AlGaN 层作为低In 组分量子阱垒层能显著提高紧邻间隔层的低In 组分量子阱中电子与空穴的浓度. 所以，Al-GaN 层作为低In 组分量子阱垒层能有效改善电子与空穴在混合量子阱活性区中的分布，从而实现电子与空穴在各量子阱中平衡辐射，最终减弱了双蓝光波长LED 的效率衰减效应(图2).

图5 双蓝光波长LED 在120 mA 时的辐射复合率分布Figure 5 The radiative recombination rates of the two dual-blue LEDs at 120 mA

图6 表示GaN 与AlGaN 作为低In 组分量子阱垒层的双蓝光波长LED 在120 mA 时的能带图和准费米能级图. 在图6A 中，由于在GaN 垒层、p-Al-GaN 电子阻挡层和p-GaN 层之间存在强极化电场，导致在p-AlGaN 层和p-GaN 层界面处价带形成空穴集聚的凹口(notches)和在GaN 垒层与p-AlGaN层界面处形成了尖峰(spikes)［9］而阻碍了空穴的注入. 另外，GaN 垒层与p-AlGaN 层之间的极化电场降低了导带处最后一个垒层的势垒，减弱了在大电流下对电子的限制. 在图6B 中AlGaN 替代GaN 作为低In 组分量子阱垒层却抬高了导带处最后一个垒层的势垒，能更好减少电子溢流. AlGaN 作为低In 组分量子阱垒层的LED 价带处的空穴准费米能级比GaN 作为低In 组分量子阱垒层的LED 更接近导带，因此进一步提高了空穴的注入. AlGaN 垒层对提高空穴注入能力和增加对电子限制的作用与CHANG等［10］报道的AlGaN 在单一In 组分多量子阱活性层中垒层的作用相符合.

图6 在120 mA 时双蓝光波长LED 的能带图和准费米能级Figure 6 Band diagrams and quasi-Fermi levels of the LEDs at 120 mA

从内量子效率ηint的表达式［11］可以进一步解释大电流下AlGaN 层作为低In 组分量子阱垒层能改善器件的Efficiency Droop 效应.

其中，总的注入电流Ⅰ包括辐射复合电流Ⅰrad，非辐射复合电流Ⅰnr，俄歇复合电流ⅠAug和漏电流Ⅰleak. 低In 组分量子阱垒层使用AlGaN 层来替代GaN 垒层有效地提高了双蓝光波长LED 的辐射复合率(图5)，即增大了辐射复合电流Ⅰrad，同时也减少了漏电流Ⅰleak，从式(12)可以得出内量子效率ηint的Droop效应得到显著减弱.

图7 为GaN 与AlGaN 作为低In 组分量子阱垒层的双蓝光波长LED 在不同电流下的自发发射率.在GaN 垒层的双蓝光波长LED 中，高In 组分量子阱和低In 组分量子阱的发射谱峰值均随电流增大而增大，且高In 组分量子阱的峰值增幅明显大于低In 组分量子阱的峰值增幅. 在电流为20 mA 时，高In 组分量子阱的发光峰峰值是低In 组分量子阱的2.2 倍;而当电流增大到120 mA 时，高In 组分量子阱的发射谱峰值是低In 组分量子阱的1.8 倍(图7A). 由于GaN 作为低In 组分量子阱垒层的LED时，电子和空穴浓度在各量子阱中分布不均衡，并存在电子过剩的现象，从而导致高In 组分量子阱中的载流子辐射复合率比低In 组分量子阱强. 随着低In组分量子阱垒层用AlGaN 替代GaN，显著提高了低In 组分量子阱中的载流子浓度，并使得电子空穴浓度在各量子阱中分布趋于均衡，从而实现双蓝光峰的均衡发射(图7B).

2.2 AlGaN 垒层中不同Al 组分对光谱的影响

前述研究结果表明，与传统的低In 组分量子阱GaN 垒层的双蓝光波长LED 相比，AlGaN 作为低In组分量子阱垒层更能改善双蓝光波长LED 的性能，AlGaN 垒层中不同Al 组分导致低In 组分量子阱对载流子的限制能力不同，将进一步调控双蓝光波长LED 发射光谱的稳定性.

图8 表示AlGaN 垒层中Al 组分分别为0.07 和0.09 时的自发发射率随电流的变化关系. 结合图7B(Al=0.08)，发现随着Al 组分浓度的增加，低In组分量子阱的发射谱峰值也逐渐增大. 这说明Al-GaN 垒层中Al 组分浓度的增加增强了低In 组分量子阱对载流子的限制能力. Al 组分为0.08 时，双蓝光光谱在小电流和大电流下均比较稳定，而当Al 组分为0.09 时，双蓝光光谱只在40～100 mA 电流范围内比较稳定. 比较图8 及图7B，可以看出当Al 组分为0.08 时可以实现双蓝光光谱的稳定发射，这点对基于双蓝光波长芯片激发YAG:Ce 荧光粉的白光LED 实现高显色性和色温的一致性非常重要.

图7 在不同电流下双蓝光波长LED 的自发发射率变化Figure 7 The spontaneous emission rate of dual-blue LEDs at different forward current

图8 不同Al 组分垒层的双蓝光波长LED 的自发发射率变化Figure 8 The spontaneous emission rate of dual-blue LEDs with different Al content of barriers at different forward current

3 结论

通过分析比较GaN 与AlGaN 作为低In 组分量子阱垒层来优化双蓝光波长LED 的内量子效率、发光功率、载流子浓度、辐射复合率和自发发射谱. 研究表明，AlGaN 作为低In 组分量子阱垒层能有效促使各量子阱的电子和空穴浓度达到均衡分布及减少电子溢流，实现电子空穴在各个量子阱中平衡辐射，从而改善了双蓝光波长LED 在大电流下的效率衰减效应. 此外，通过改变AlGaN 垒层中Al 的组分能进一步优化双蓝光波长LED 发光光谱的稳定性，这对双蓝光波长芯片激发YAG:Ce 荧光粉实现高显色性白光LED 具有重要意义.

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