多量子势垒电子阻挡层对UV LED 性能的影响

黄 永，李培咸，白俊春，王晓波

(1.西安电子科技大学 宽禁带半导体重点实验室，陕西 西安 710071;2.西安中为光电科技有限公司，陕西 西安 710071)

近年来，人们在提高GaN 基发光二极管(LED)的效率上做了大量研究工作。随着LED 发光效率的提高，LED 已被广泛应用于背光照明，汽车头灯和日常照明等领域［1］。为迎合高亮度光源需求，需设计出高光电转换比的LED，由此引入如何提高LED 发光效率的问题。限制LED 发光效率的原因很多，有源层中的载流子溢出到p 层是其主要原因之一［1－3］。通过在有源层和p 层间插入p－AlGaN 电子阻挡层(EBL)来抑制电子的溢出是一种解决办法［1］。

要获得足够低的电子溢出比，p－AlGaN－EBL 必须拥有够高的势垒。当AlGaN 的Al 组分确定时，由AlGaN 和GaN 组成的异质结的导带带阶是一定的［4］，随着势垒材料AlGaN 的Al 组分的增加，AlGaN/GaN 异质结的导带带阶会增加。p－AlGaN－EBL 和紧跟着的p 层所形成的异质结的导带带阶，是p－AlGaN－EBL的势垒高度的一部分，所以可以通过增加p－AlGaNEBL 的Al 组分来增加其势垒高度，以获得足够低的电子溢出比。Hideki Hirayama［5－7］的团队已经尝试使用AlN 或高Al 组分(Al 组分＞95%)的p－AlGaN层作为EBL。但即便p－AlGaN－EBL 有如此高的Al 组分，其势垒高度依然不能满足该团队抑制电子溢出的需求。而且就目前技术水平而言，Al 组分越高，结晶质量越差。在高Al 组分的AlGaN 中掺入杂质，又会更加恶化结晶质量。众所周知，EBL 对电子溢出的抑制能力随着其结晶质量的变差而减弱，所以一味追求高Al 组分的p－AlGaN－EBL 不能有效解决有源层电子溢出的问题。

上述材料限制被认为可以通过增加EBL 的有效势垒高度来解决，办法是引入多量子势垒电子阻挡层(MQB－EBLs)——即在有源层和p 层间插入多个p－AlGaN电子阻挡层(EBL)，EBL 之间为p－GaN，如图1 所示。Iga 等人［2］认为MQB 能引起电子波函数的多反射效应。若不考虑隧穿效应，那么该效应在能带理论上的表现如下:电子要越过单个AlGaN－EBL，其所处能级需大于能级EEBL，而电子要越过多个同Al 组分的AlGaN－EBL 组成MQB－EBLs，其所处能级需大于能级Eeff。由Iga 等人理论计算出Eeff＞EEBL，并定义为Eeff对应的势垒高度为有效势垒高度。该理论被Kishino 等人［8］在1991 年用GaInP/AlInP LDs 实验证明。近几年，已经有从实验［9］和仿真［10］上报道MQB能大幅提高内量子效率(IQE)，进而大幅提高LED 的光输出功率(LOP)。

图1 MQB－EBLs 在外延结构中所处位置

已有团队报道［3］，EBL 的厚度是影响电子溢出比的一个关键因素，对电子溢出的抑制能力差。所以，足够厚的EBL 被认为是必须的，MQB－EBLs 也才能有效地抑制电子的溢出。考虑到空穴的迁移实际是大量电子的迁移，如上文所述，MQB－EBLs 对电子有反射效应，那么MQB－EBLs 对空穴的迁移也存在一定阻碍作用。这是不好的影响，原因是空穴越难注入有源层中，LED 发光效率越低。由于III 族－氮化物半导体的自身特性，AlGaN/GaN 的异质结的导带带阶为两种材料禁带差值的0.65，而价带带阶为其0.25［7］。显而易见，这种材料做出的EBL 对电子的阻碍效果比对空穴的大很多。

如何能最大限度利用MQB－EBLs 抑制电子的溢出，同时减少对空穴注入的阻碍，是本文的核心。MQBEBLs 在结构上与超晶格(SLs)相似，MQB－EBLs 的每个EBL 可等效为SLs 的势垒层，而EBL 之间的层为量子阱层。本文通过借用SLs 模型来研究不同量子阱和势垒层厚度的MQB－EBLs 对InGaN UV LED 效率的影响，来优化MQB－EBLs 的量子阱和势垒层厚度，目前少有相关报道。

1 实验参数

实验中，一共在蓝宝石衬底上制造了4 个InGaN UV LED 样品，如表1 所示。样品所使用的芯片除了MQB－EBLs 层有差异，其他层相同。实验使用型号为Cruis I 的MOCVD 进行外延生长，首先在蓝宝石衬底上依次外延GaN 基的成核层，GaN 基的缓冲层和2 000 nm的n－GaN 层。之后开始生长周期厚度为15 nm，In 组分约为7.4%的InGaN/GaN 有源层。在有源层与p－GaN 层之间，插入MQB－EBLs。样品1和样品2 的MQB－EBLs 势垒层与量子阱层等厚，分别为6 nm 和3 nm。样品3 的量子阱层的厚度缩减到2 nm而势垒层与样品2 相同，为3 nm。样品4 的量子阱层的厚度与样品3 相同，为2 nm，而势垒层缩减为1 nm。另外，MQB－EBLs 的各EBL 的Al 组分为15%，EBL 的个数为10 个。之后依次为200 nm 的p－GaN 层厚和ITO 层。本文所制样品蒸镀的是Ni/Au 电极。表1 同时还列出了外延片中GaN 的(002)和(102)摇摆曲线的半高宽(FWHM)。XRD 摇摆曲线的测试设备为Panalytical X'pertpro。

表1 EBL 参数及外延片中GaN 的(002)和(102)摇摆曲线的半高宽(FWHM)

2 结果及分析

由于MQB－EBLs 和SLs 在结构上相似，所以本文基于Waldron 的工作［11］，借用其SLs 垂直电导模型分析MQB－EBLs 的量子阱和势垒层厚度对LED 效率的影响。Waldron 认为SLs 中电子的垂直电导公式为

考虑到价带顶的空穴可等效为带正电荷和正有效质量的粒子，而导带底的电子是带负电荷和正有效质量的粒子，所以可以继续沿用上式分析MQB－EBLs对空穴的阻碍。由Kozodoy 等人［12－13］的报道可知，当超晶格的量子阱层和势垒层的厚度都分别由6 nm 减小到3 nm 时，空穴浓度变化不足5%。所以，本文假设样品1、2 和3 的MQB－EBLs 的空穴浓度相同。

在维明LED－617 上，对实验样品进行了光电性能的测试，设备使用的是UV－100 测试探头。LED 样品在20 mA 电流下的正向电压Vf和紫外光输出功率(LOP)的测试结果如图2 所示。4 个样品的峰值波长都为387 nm。

对比样品1 和样品2 的测试结果表明，当量子阱和势垒层的厚度都减小到3 nm 时，Vf减小，LOP 增大。当MQB－EBLs 的量子阱和势垒层厚度一样时，简化式(1)可知垂直电导与量子阱层的厚度的幂指数成反比，即量子阱(势垒)层越窄，垂直电导越好。Vf的减小被认为是由于垂直电导的增加直接导致。认为MQB－EBLs 的量子阱层(势垒层)的厚度由6 nm 减小到3 nm 时，电子溢出比并没有过多增加，然而空穴的电导得到加强，所以LOP 上升。

图2 样品的Vf 变化以及LOP 变化曲线

对比图2 中的样品2 和样品3 的测试结果，当量子阱层的厚度减小到2 nm 时，LOP 提升到8.47mW。认为也可由式(1)解释这个变化。当量子阱厚和势垒厚都很小时，式(1)中的LQW－LB≈0。简化后可知，量子阱层的厚度以及厚度的幂指数的乘积与垂直电导成反比。相比样品2，样品3 的量子阱层的厚度更薄，所以导致其空穴的电导增加，然而电子溢出比并没有增加太多，进而提高了LOP。显然，当量子阱的厚度不断减小趋于0 时，整个MQB－EBLs 就变成了单个EBL，单层的EBL 没有MQB 反射效应，所以对电子溢出的抑制作用又会减弱。

进一步减小势垒厚度所制备的样品4 的测试结果表明，虽然样品4 的空穴的电导增加，直接表现为Vf下降，但是LED 的LOP 也降低了，如图2 所示。这里LOP 的下降被认为主要是由于MQB－EBLs 抑制电子溢出的能力大幅减弱所致，而该能力的下降是因为单个的EBL 过薄。Lee［3］等人报道，当EBL 厚度约减小到1 nm 时，电子溢出比达28%，而当EBL 厚度为5 nm时电子溢出比仅为6.5%。相比之前的几个样品，更多的电子从样品4 的有源层溢出到其MQB－EBLs 的量子阱层或者之后的p－GaN 层，使得部分电子与空穴在p－GaN 层产生复合，引起LOP 的降低。同时，由于样品4 的MQB－EBLs 势垒厚度小，空穴更易于以隧穿的方式穿越势垒，使得MQB－EBLs 层空穴的纵向迁移率升高，进而使得器件工作电压降低。

3 结束语

本文研究了不同量子阱和势垒层厚度的多量子势垒电子阻挡层UV InGaN LED 的效率的影响。发现MQB－EBLs 的量子阱层的厚度为2 nm，势垒厚度为3 nm时，LED 能获得最大的光输出功率，LOP=8.47 mW。过薄的量子阱和势垒层厚度，会导致MQBEBLs 抑制电子溢出的能力大幅减弱，使更多的电子进入到p－GaN 与空穴复合，因此能进入到有源层进行有效辐射复合的空穴减少，进而使得LED 的LOP 下降。量子阱和势垒层厚度过厚的MQB－EBLs 虽然有效抑制了有源层电子的溢出，但是其对空穴注入的阻碍效果变得显著，也会使得空穴难以进入有源层进行有效复合，进而使LED 的LOP 下降。此外，当MQB－EBLs 的量子阱和势垒层厚度增厚时，该层垂直电导减小，直接导致LED 在20 mA 下工作的正向电压Vf上升。

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