垒层p型掺杂量的分布对InGaN基发光二极管性能的影响

刘 超，李述体 ，仵乐娟，王海龙

(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，发光二极管(LED)的性能得到了显著的提升，在汽车车灯、户外照明和背光显示等领域得到了广泛的应用. 但是，LED 在大注入电流下的效率衰减问题阻碍其在大功率照明方面的应用. 针对LED 效率衰减问题的机制，众多研究者提出了不同的解释，包括载流子泄漏［1－3］、俄歇复合［4］、空穴的不均匀分布［5－6］和位错导致的载流子泄漏［7］等. 其中，在大电流下电子限制不充分和空穴注入效率过低被认为是导致效率衰减的主要原因［6，8］. 通常传统LED 结构采用AlGaN 电子阻挡层减少载流子泄漏，但是由于GaN 垒层与AlGaN 电子阻挡层存在较大的晶格失配，在最后一个GaN 垒层与AlGaN 电子阻挡层的界面处会产生较强的极化电场，导致最后一个垒层及电子阻挡层的能带倾斜，不利于电子的限制及空穴的注入［1，9］. 另外，空穴的有效质量较大，迁移率较小，使得空穴从p 型层迁移到发光多量子阱区域较为困难. PARK 等［10］研究表明对发光多量子阱所有的垒层进行均匀的p 型掺杂，能减小极化电场进而减小能带弯曲，改善电子限制促进空穴注入，提高发光效率. 本文研究了在垒层p 型总掺杂量相同的情况下，垒层p 型掺杂的分布对LED 性能的影响，表明当所有的p 型掺杂量集中于最后一个垒层时，电子限制和空穴注入效应均可明显增强.

1 结构与参数

样品结构包括2.0 μm 厚的u－GaN 和3.0 μm厚的n－GaN(C(n)=5×1018cm－3)，6个周期的多量子阱结构(每个周期包括6个3 nm 厚的In0.16Ga0.84N量子阱和6个10 nm 的GaN 垒层)，20 nm 厚的p－AlGaN 电子阻挡层，170 nm 厚的p－GaN(C(p)=1 ×1018cm－3). 该器件设计为300 μm× 300 μm 的正方形结构. 不同的p 型掺杂分布如图1 所示. 指定垒层未掺杂的LED 为样品A(传统结构样品)，样品B 的所有垒层均为p 型掺杂(每个垒层掺杂量为2 ×1017cm－3)，样品C 在最后3个垒层进行p 型掺杂(每个垒层掺杂量为4 ×1017cm－3)，样品D 在最后1个垒层进行p 型掺杂(每个垒层掺杂量为1.2 ×1018cm－3). 样品B、C、D 的垒层p 型总掺杂量相同，但垒层p 型掺杂的分布不同. 为简化模拟，工作温度设定为300 K，光提取效率为0.78. 在模拟中使用的半导体材料的其他参数参照文献［11］.

2 结果与讨论

样品A、B、C、D 的模拟光功率随注入电流的变化曲线如图2 所示. 当注入电流较小时，样品A、B、C、D 的光功率差异较小. 随注入电流增大，4个样品光功率差异逐渐增大，在200 mA 下的光功率分别为90、114、122 和167 mW. 样品A 的光功率小于其余3个样品. 可见垒层p 型掺杂能有效改善LED的发光效率. 另外，样品B、C、D 的发光效率依次增大，表明对垒层中p 型掺杂的分布的调整能有效改善LED 在大注入电流下的发光性能，当所有的p 型 掺杂量集中于最后一个垒层时，发光效率最佳.

图1 不同样品的垒层p 型掺杂量的分布Figure 1 Schematic diagram of p－doping distribution in barriers

图2 4个样品的光功率随电流变化Figure 2 Output power as a function of injection current for the four samples

图3 所示，极化场引起最后1个GaN 垒层及电子阻挡层的能带倾斜，减小电子阻挡层对于电子的有效势垒高度，导致电子泄漏. 对于空穴而言，空穴有效质量较大并且迁移率较低，能带倾斜也会阻碍空穴向发光多量子阱区域的注入. 理论模拟显示，样品A、B、C、D 中电子的有效势垒高度分别为192.3、200.6、203.4、238.8 meV. 与此同时，样品A、B、C、D 中空穴的有效势垒高度分别为229.0、220.9、218.3、194.9 meV. 可以看出，样品A 中电子的有效势垒高度小于其他3个样品，同时样品A 中空穴的有效势垒高度大于其他3个样品. 表明对垒层进行p 型掺杂能够改善电子限制和空穴注入情况. 另外，样品B、C、D 中电子的有效势垒高度逐渐增大，空穴的有效势垒高度逐渐减小，表明随着更多的p 型掺杂量集中于最后1个垒层，电子限制及空穴注入更加有效，主要因为p 型重掺杂有利于屏蔽极化电场，缓解极化电场导致的能带弯曲［12］. 总之，通过调整垒层p 型掺杂量的分布能够有效地改善电子限制及空穴注入，进而有效改善发光效率.

在4 种结构的载流子浓度分布(图4)中，电子与空穴分布相似，都集中在靠近p 区的量子阱中，在最后1个量子阱中电子和空穴大量积累，表明4个样品的发光主要集中在靠近p 型的量子阱中. 样品B、C、D 的最后2个阱中电子和空穴浓度均大于样品A，这是由于垒层p 型掺杂能够改善电子限制及空穴注入. 另外，样品B、C、D 的最后1个阱中电子和空穴浓度依次增大，可解释为随着更多的p 型掺杂量集中于最后1个垒层，空穴的有效势垒高度更小，有利于更有效地注入空穴及限制电子. DAVID等［8］报道了载流子在多量子阱中分布不均匀，只有临近p 型层的阱参与辐射复合. 所以随着更多的p型掺杂量集中于最后1个垒层，临近p 型层的阱中电子及空穴浓度的增加可以解释发光效率的增强.

图5 所示，在200 mA 外加电流情况下，在毗邻n 端的第1个量子阱中，4 种结构具有相近的电子电流密度，而靠近p 区的量子阱差异较大. 样品A 的电子溢出明显大于其他3个样品，说明对垒层进行p 型掺杂可以减小电子泄漏. 另外，随着更多的p 型掺杂量集中于最后1个垒层，电子溢出现象明显缓解. 主要原因在于电子阻挡层对电子更有效的限制，使更多电子限制在多量子阱区域参与辐射复合发光.

图3 200 mA 下不同样品的能带Figure 3 Energy band diagrams of different samples at 200 mA forward current

图4 200 mA 下电子与空穴的浓度分布Figure 4 Electron and hole concentration distribution at 200 mA forward current

图5 200 mA 下4个样品的电子电流分布Figure 5 Electron current density in the four structures at 200 mA forward current

图6 中，效率衰减量定义为(ηpeak－ η200mA)/ηpeak. 样品A、B、C、D 的效率衰减量分别为46.0%、32.4%、29.2%和7.6%. 样品B、C、D 的效率衰减量小于样品A. 说明对垒层进行p 型掺杂可以改善效率衰减问题. 另外，随着更多的p 型掺杂量集中于最后1个垒层，效率衰减也得到改善. 其原因是在大电流注入情况下，电子受到更有效的限制，使电子泄漏减少，进而降低电子与p 型层空穴发生非辐射复合几率. 因此，发光效率极大提升.

图6 4个样品的内量子效率随电流的变化Figure 6 IQE as a function of current for the four samples

3 结论

应用APSYS 模拟软件对不同垒层p 型掺杂量分布的LED 进行了数值模拟研究. 对光功率、能带图、载流子浓度、电子电流分布以及内量子效率进行了系统的研究. 结果表明，当所有的p 型掺杂量集中于最后1个垒层时，光输出功率增大，泄漏电流降低，内量子效率随电流增加而降低的现象得到缓解.优化垒层p 型掺杂量的分布，能提高空穴注入效率，同时有效地将电子限制在InGaN/GaN 多量子阱中，改善了光电特性.

［1］KIM M H，SCHUBERT M F，DAI Q，et al. Origin of efficiency droop in GaN－based light－emitting diodes［J］.Appl Phys Lett，2007，91:183507.

［2］SCHUBERT M F，XU J，KIM J K，et al. Polarizationmatched GaInN/AlGaInN multi－quantum－well light－emitting diodes with reduced efficiency droop［J］. Appl Phys Lett，2008，93:041102.

［3］DING K，ZENG Y P，WEI X C，et al. A wide－narrow well design for understanding the efficiency droop in In-GaN/GaN light－emitting diodes［J］. Appl Phys B:Lasers Opt，2009，97:465－468.

［4］SHEN Y C，MUELLER G O，WATANABE S，et al. Auger recombination in InGaN measured by photoluminescence［J］. Appl Phys Lett，2007，91:141101.

［5］KIM A Y，GO W，STEIGERWALD D A，et al. Performance of high－power AlInGaN light emitting diodes［J］.Phys Status Solidi A，2001，188:15－21.

［6］WANG C H，CHEN J R，CHIU C H，et al. Temperature－ dependent electroluminescence efficiency in blue In-GaN－ GaN light－ emitting diodes with different well widths［J］. IEEE Photon Technol Lett，2010，22:236－238.

［7］BOCHKAREVA N I，VORONENKOV V V，GORBUNOV R I，et al. Defect－related tunneling mechanism of efficiency droop in III－nitride light－emitting diodes［J］. Appl Phys Lett，2010，96:133502.

［8］DAVID A，GRUNDMANN M J，KAEDING J F，et al.Carrier distribution in (0001)InGaN/GaN multiple quantum well light－ emitting diodes［J］. Appl Phys Lett，2008，92:053502.

［9］HAN S H，LEE D Y，LEE S J，et al. Effect of electron blocking layer on efficiency droop in InGaN/GaN multiple quantum well light－emitting diodes［J］. Appl Phys Lett，2009，94:231123.

［10］HAN S H，CHO C Y，LEE S J，et al. Effect of Mg doping in the barrier of InGaN/GaN multiple quantum well on optical power of light－emitting diodes［J］. Appl Phys Lett，2010，96:051113.

［11］VURGAFTMAN I，MEYER J R. Band parameters for nitrogen－ containing semiconductors［J］. J Appl Phys，2003，94:3675.

［12］NEUFELD C J，CRUZ S C，FARRELL R M，et al.Effect of doping and polarization on carrier collection in InGaN quantum well solar cells［J］. Appl Phys Lett，2011，98:243507.