实现双蓝光波长发光二极管光谱均衡辐射的研究

严启荣，章 勇

（1. 广东省理工职业技术学校，广州 510500；2. 华南师范大学光电子材料与技术研究所，广州 510631）

1 引言

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，因此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[1,2]。随着白光LED技术的不断发展，使得LED光源在照明领域中对显色指数（CRI）的要求越来越高，特别是室内照明，对显色性要求更高，但是高显色指数的白光LED技术依然存在不足，使之成为制约白光LED作为照明光源的首要障碍。欧美等发达国家已经对LED照明灯具的显色性制定了严格的标准，而中国的LED照明设计标准中，也规定所有办公室和宾馆饭店LED灯的显色指数必须在80以上。现在市场上广泛销售的白光LED是蓝光芯片激发YAG:Ce荧光粉产生黄光与部分没有吸收的蓝光耦合成白光发射[3]，在高色温情况下，光效和显色指数较高，但是在低色温下，显色指数就不太理想。特别是在色温低于5 500 K时，显色指数一般低于70。目前，实现高显色性的白光LED封装技术有四种：（1）RGB三基色芯片混色法[4]；（2）近紫外LED芯片激发RGB三色荧光粉[5]；（3）蓝光LED芯片激发RG荧光粉[6]；（4）红光LED补偿法等[7]。但是，它们面临着无机荧光粉光致转换效率低、混色不均匀或芯片驱动复杂和显色性差等缺点[8,9]。最近，Mirhosseini等人通过模拟结果显示基于双蓝光波长芯片激发YAG:Ce荧光粉能够在保持流明效率的同时得到高显色指数的白光LED[10]。本文采用混合多量子阱结构的GaN基双蓝光波长芯片激发YAG:Ce荧光粉实现了高显色性的白光LED[11~13]。

由于GaN基材料空穴有效质量（1.1 m0）高于电子的有效质量（0.2 m0），因此，电子就更容易穿越活性层进入活性层顶部的量子阱层，甚至溢流出有源层进入p-GaN层，相反，空穴就比较难达到活性层靠近n-GaN侧的量子阱，这样电子空穴在活性层中分布非常不均匀，导致电子空穴复合发光发生在靠近p-GaN侧的几个量子阱内，David等人的光谱测量数据显示GaN基多量子阱蓝光LED电子空穴的复合区主要集中在靠近p-GaN侧的量子阱内[14]。为了提高载流子在活性区中的均匀分布，科学家们提出了各种方法，譬如：去掉p-AlGaN层并在活性层底部插入n-AlGaN层[15]，在量子阱中引入一层薄的应力补偿型AlGaN层[16]。

本文使用APSYS（Advanced Physical Models of Semiconductor Devices）[17]软件对器件进行模拟分析，通过研究不同活性层结构的双蓝光波长LED的能带图、载流子浓度分布图和发射光谱，进一步探索实现光谱稳定的双蓝光波长LED芯片的设计方法。

2 双蓝光波长LED结构

在本实验中，双蓝光波长LED的结构依次为2 μm的n-GaN层（掺杂浓度为4×1018cm-3）、若干个In0.18Ga0.82N/GaN量子阱和若干个In0.12Ga0.88N/GaN量子阱、15 nm的p-Al0.15Ga0.85N电子阻挡层（掺杂浓度5×1017cm-3）以及200 nm厚的p-GaN层（掺杂浓度5×1017cm-3）。所有量子阱的阱层和垒层厚度分别为3 nm和10 nm。

以下讨论的五种双蓝光波长LED活性层结构，如表1所示。结构A：混合多量子阱的活性层依次为三个周期的In0.18Ga0.82N/GaN量子阱和三个周期的In0.12Ga0.88N/GaN量子阱。结构B：活性层依次为两个周期的In0.18Ga0.82N/GaN量子阱和三个周期的In0.12Ga0.88N/GaN量子阱。结构C：活性层依次为三个周期的In0.18Ga0.82N/GaN量子阱和两个周期的In0.12Ga0.88N/GaN量子阱。结构D：活性层依次为两个周期的In0.18Ga0.82N/GaN量子阱和两个周期的In0.12Ga0.88N/GaN量子阱。结构E：活性层为两个周期交叉分布的In0.18Ga0.82N/GaN量子阱和In0.12Ga0.88N/GaN量子阱。

表1 五种双蓝光LED活性层结构图

3 结果与讨论

不同结构的双蓝光LED都有强度不一的双蓝光发射峰，峰值分别为440 nm和470 nm，是分别来自In0.12Ga0.88N/GaN量子阱和In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的发射。

3.1 五种双蓝光LED活性层结构

3.1.1 结构A

图1 结构A

图1（a）和（b）分别表示结构A在20 mA时的能带图、准费米能级分布图、载流子的分布情况以及发射光谱。大部分电子和空穴都聚集在靠近p-GaN的那个量子阱，而靠近n-GaN的量子阱的电子和空穴浓度都非常低。特别是第二、第四个量子阱（由n区到p区）的电子和空穴浓度几乎为零。因此，由图1（b）可知，In0.12Ga0.88N/GaN量子阱发出的蓝紫光峰的峰值远远大于In0.18Ga0.82N/GaN量子阱发出的蓝光峰的峰值。

3.1.2 结构B

图2（a）和（b）分别表示结构B在20 mA时的能带图、准费米能级分布图、载流子的分布情况以及发射光谱。相对于结构A，结构B减少了一个In0.18Ga0.82N/GaN量子阱，这对双蓝光LED的载流子浓度分布并没太大的影响。如图2（a）所示，大部分电子和空穴依然聚集在最靠近p-GaN的那个量子阱，而靠近n-GaN的量子阱的电子和空穴浓度非常低。特别是第三个量子阱（由n区到p区）的电子和空穴浓度几乎为零。因此，由图2（b）可知，In0.12Ga0.88N/GaN量子阱发出的蓝紫光峰的峰值也远远大于In0.18Ga0.82N/GaN量子阱发出的蓝光峰的峰值。

图2 结构B

3.1.3 结构C

图3（a）和（b）分别表示结构C在20 mA时的能带图、准费米能级分布图、载流子的分布情况以及发射光谱。相对于结构A，结构C减少了一个In0.12Ga0.88N/GaN量子阱，也就是In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的个数比In0.12Ga0.88N/GaN量子阱的多，大部分电子和空穴依然聚集在最靠近p-GaN的那个量子阱。但是，由图3（a）可发现，活性区内In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的电子和空穴浓度比结构A和结构B的都有所增加，特别是活性层内中间的那个量子阱。因此，In0.18Ga0.82N/GaN量子阱发出的蓝光峰的峰值有所增强，但依然比不上In0.12Ga0.88N/GaN量子阱发出的蓝紫光峰，如图3（b）所示。

图3 结构C

3.1.4 结构D

图4（a）和（b）分别表示结构D在20 mA时的能带图、准费米能级分布图、载流子的分布情况以及发射光谱。此结构的蓝紫光量子阱和蓝光量子阱都分别比结构A减少了一个，大部分电子和空穴依然聚集在最靠近p-GaN的那个量子阱，但是In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的载流子浓度明显得到了提高。因此，由图4（b）所示，相对于结构A、B、C，In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的蓝光峰得到了改善，但In0.12Ga0.88N/GaN量子阱发出的蓝紫光峰并没有明显减弱。

3.1.5 结构E

图5（a）和（b）分别表示结构E在20 mA时的能带图、准费米能级分布图、载流子的分布情况以及发射光谱。

前四种结构的大部分电子和空穴都聚集在最靠近p-GaN的那个In0.12Ga0.88N/GaN量子阱，而且发射光谱的蓝紫光峰的峰值都远大于蓝光峰。结构E的效果却不一致，如图5（a）所示，大部分的载流子都聚集在最靠近p-GaN的那个In0.18Ga0.82N/GaN量子阱，只有小部分的载流子分布在靠近p-GaN的那个In0.12Ga0.88N/GaN量子阱，尤其是空穴。因此，蓝光峰的峰值远远大于蓝紫光峰，如图5（b）所示。这是由于In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的势垒深度大于In0.12Ga0.88N/GaN量子阱，而且In0.18Ga0.82N/GaN量子阱靠近了p-GaN层，大部分载流子都往最低势垒阱运动。

图4 结构D

图5 结构E

通过以上五种结构的分析，可知电子和空穴在各量子阱中分布不均衡，不能实现双蓝光均衡辐射，并存在电子过剩的现象。结构A、B、C的部分量子阱的载流子浓度几乎为零，对发射光谱几乎没有贡献，大部分载流子都聚集在最靠近p-GaN的那一个量子阱。在结构E中，即使最靠近p-GaN的那个量子阱为In0.12Ga0.88N/GaN，但是当In0.18Ga0.82N/GaN量子阱越靠近p-GaN，蓝光峰的峰值就会增大，反之，其峰值就减弱。由此而知，只依靠改变活性层中的In0.12Ga0.88N/GaN和In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的数量或位置，难以获得双蓝光均衡发射的光谱。

3.2 实现双蓝光平衡辐射的有源层结构

基于以上五种结构的分析，在结构D的基础上，改进活性层的结构，实现双蓝光平衡辐射。

3.2.1 n-AlGaN作为电子阻挡层的双蓝光活性层结构

去掉p-AlGaN电子阻挡层，而在活性层与n-GaN之间引入15 nm的n-AlGaN层（掺杂浓度为1×1018cm-3），其他与结构D一样。

图6 具有n-AlGaN层的双蓝光波长LED

图6（a）和（b）分别表示具有n-AlGaN层的双蓝光波长LED在20 mA时的能带图、准费米能级分布图、载流子的分布情况以及发射光谱。随着p-AlGaN的移去与n-AlGaN层的引入使混合多量子阱活性层中所有量子阱电子空穴分布变得均衡，而且还使得高In组分量子阱的总辐射复合率提高到与低In组分量子阱相当。对于传统具有p-AlGaN层的混合量子阱的LED，由于p-AlGaN的存在虽然起到阻挡电子溢出的作用，同时也阻挡了空穴从p-GaN层注入活性层，所以从图4可以看出，具有p-AlGaN层LED的所有量子阱层的空穴浓度明显低于电子的浓度，这样就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。随着p-AlGaN层的移去和n-AlGaN层的引入有效地提高了空穴的注入能力，从图6（a）与（b）可以看出，n-AlGaN层能有效改善电子空穴在混合量子阱活性区中的分布，从而实现双蓝光平衡辐射。

3.2.2 应力补偿型InGaN-AlGaN/GaN量子阱的双蓝光有源层结构

图7 具有AlGaN应力补偿层的双蓝光波长LED

图7（a）和（b）分别表示具有AlGaN应力补偿层的双蓝光波长LED在20 mA时的能带图、准费米能级分布图、载流子的分布情况以及发射光谱。与结构D相比，本结构的蓝光阱引入1 nm的应力补偿层Al0.12Ga0.88N，而蓝紫光阱引入了1 nm的应力补偿层Al0.21Ga0.79N。即蓝光量子阱活性区使用In0.18Ga0.82NAl0.12Ga0.88N/GaN量子阱结构，而蓝紫光量子阱活性区使用In0.12Ga0.88N-Al0.21Ga0.79N/GaN量子阱结构。这种应力补偿型InGaN-AlGaN/GaN结构使InGaN量子阱的压力得到张力层AlGaN的补偿，形成了一种应力平衡结构，从而减少了应变能和应力失配位错密度。由于这种应力补偿型量子阱能够有效地限制载流子，可以改善载流子在有源区内的分布，使得载流子浓度的分布在蓝紫光量子阱和蓝光量子阱内都比较均衡，特别是空穴浓度的分布，从而获得双蓝光平衡辐射。

4 结论

通过分析比较不同活性层结构的双蓝光波长LED的能带图、准费米能级分布图、载流子浓度分布图以及发射光谱，结果表明只依靠改变活性层中的In0.12Ga0.88N/GaN和In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的数量或位置，难以使得电子空穴在混合多量子阱活性区中分布均衡，实现双蓝光均衡辐射。但是，随着p-AlGaN层的移去和n-AlGaN层的引入，或在蓝光阱引入应力补偿层AlGaN，能有效地实现双蓝光平衡辐射。

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