量子阱宽度对蓝光LED性能影响的研究

吴月芳，郭伟玲，陈艳芳，雷 亮

(北京工业大学 光电子技术省部共建教育部重点实验室，北京 100124)

量子阱宽度对蓝光LED性能影响的研究

吴月芳，郭伟玲，陈艳芳，雷 亮

(北京工业大学 光电子技术省部共建教育部重点实验室，北京 100124)

本文采用器件仿真的方法分析了量子阱宽度对于LED光电性能的影响。结果表明：随着阱宽的增加，LED的电流密度变小；在阱宽为5 nm左右时，LED的发光功率最高，但此时器件的波长位于橙色区域内，并且此时器件的发光效率较低；在阱宽为2.5 nm～3.5 nm时，发光效率最大，且波长在蓝光范围内；阱宽一定时，随着电压的增加光谱有一定的蓝移现象。深入分析了发光效率及光谱变化的原因发现，束缚态能级的不同状态是导致光谱发生蓝移的原因，而俄歇复合的增强是导致器件效率下降的主要原因。

蓝光LED；光电性能；器件仿真；量子阱

引言

近年来，发光二极管(LED)无论是在大面积全彩显示还是在照明领域都承担着重要的角色[1-4]。LED存在诸多优势，如：全固态发光、寿命长、高效节能、利于环保等[5-6]。量子阱结构[7-9]是获得高效半导体发光的一个重要方法，它能够将载流子限制在阱内而避免浪费。因此，对量子阱蓝光LED的研究具有重要意义。尽管蓝光LED已经产业化，但是对其发光机理的研究尚存在很多争论。比如,在LED注入电流密度较大时，器件的发光效率会随着电流密度的增大而下降，其发光效率会大幅下降[10-12]。一直以来，全世界科研工作者对效率急剧下降做了大量的研究性工作，并提出不同的理论模型及解释。本文通过器件仿真的方法来研究量子阱宽度对蓝光LED光电性能的影响。

1 系统模型与方法

本文运用silvaco TCAD软件对量子阱蓝光LED的光电性能进行器件仿真模拟研究，进而找到能够使量子阱蓝光LED的光电性能优化的量子阱的宽度。量子阱蓝光LED的结构示意图如图1所示，从下到上依次为:底部的阴极欧姆接触[13]；4.4 μm的n-GaN层(n型掺杂浓度为1×1018cm-3)、InGaN层；100 nm的p-Al0.2Ga0.8N层(p型掺杂浓度为7×1017cm-3)、0.5 μm的p-GaN层(p型掺杂浓度为1×1019cm-3)以及顶部的阳极欧姆接触。

图1 器件结构示意图Fig.1 Schematic diagram of device structure

在进行器件仿真实验时，首先，我们将量子阱蓝光LED器件看成是一个一维的结构，即只在厚度的方向上存在一定的变化，在另外的两个方向都是均匀的。在这个假设的前提下，我们进行一维的量子阱蓝光LED的器件仿真研究，通过改变量子阱的宽度来研究蓝光LED的性能。模拟中遵循的基本方程为泊松方程，如公式(1)所示。

在公式(1)中，Ψ为半导体器件中某一点位置的电势，ρ是这一点所在的空间电荷密度，ε为有机材料的相对介电常数。

电子的连续性方程和空穴的连续性方程分别如公式(2)、(3)所示。

在公式(2)、(3)中，n和p分别表示器件空间中的某一点电子的浓度和空穴的浓度，Jn和Jp分别表示器件中电子的电流密度和空穴的电流密度，q表示一个电子带有的电量。以上提到的这些物理量与电子、空穴之间都存在着很重要的联系，电子电流的表达式和空穴的电流表达式分别如公式(4)、(5)所示。

在公式(4)、(5)中，μn和μp分别为电子的迁移率和空穴的迁移率，E为电场强度，Dn和Dp分别为电子的扩散系数和空穴的扩散系数，通过爱因斯坦关系式与迁移率之间的联系，我们可以得到公式(6)。

其中k为波尔兹曼常数，T为绝对温度。

2 结果与讨论

图2(a)是不同量子阱宽度的I-U特性曲线。从图2(a)中可以看出随着量子阱宽度增加，电流密度有所下降。根据半导体的漂移电流密度公式J=(nqμn+pqμp)E可知，电流由载流子浓度及电场决定。我们进一步研究了在量子阱中载流子浓度随量子阱宽度的变化，如图2中的(b)、(c)所示。随阱宽增大到15nm，电子浓度大约增加为原来的2.2倍，而空穴浓度大约增加为原来的1.3倍。图2(d)为阱宽对于阱内电场的影响,随着阱宽增大到15nm，阱内电场变化十分明显，减小到原来的11%左右。根据半导体的漂移电流密度公式J=(nqμn+pqμp)E，结合电子浓度、空穴浓度以及电场在量子阱宽度为3nm、8nm、15nm时的变化，可知在这些变化中电场的变化对电流密度的变化起决定性作用，与图2(a)中的现象相对应。

图2 (a)不同阱宽的I-V特性曲线图；(b)不同阱宽的器件的阱内的电子浓度图；(c)不同阱宽的器件的阱内的空穴浓度图；(d) 不同阱宽的器件的阱内的场强分布图Fig.2 (a) I-V characteristic curves of devices with different quantum well widths;(b) the electron concentration in the wells of different well width devices; (c) the hole concentration in the well of different well width devices; (d) the field intensity distribution in the well of different well width devices

图3 (a)不同量子阱宽度下的光功率曲线图；(b) 阱宽5 nm时器件的发光光谱图Fig.3 (a)optical power curves under different quantum well widths; (b) the luminescence spectra of the devices with a width of 5 nm

接下来，我们研究了阱宽对量子阱蓝光LED发光功率的影响。图3(a)是阱宽为3nm、3.5nm、5nm、8nm时器件发光功率图。从图中我们可以清楚地看出，在量子阱宽度为5nm时，器件的发光功率是最高的，量子阱的宽度大于或小于5nm的时候，器件的光功率都会有减小的趋势。图3(b)为量子阱宽度为5nm时的量子阱蓝光LED的发光光谱，发光光谱的峰值位于590nm左右，这个波段并不是在蓝光波长范围内而是在橙色的发光波长范围内，因而，5nm并不是最佳的量子阱宽度。

图4为不同阱宽的器件发光效率随着工作电压的变化。我们可以发现，当量子阱的宽度在2.5nm、3.5nm时，量子阱蓝光LED的发光效率不仅较大而且两条光功率曲线的距离是比较接近的，随着阱宽逐渐增加，量子阱蓝光LED的发光效率有下降的趋势。因为在量子阱宽度增加的时候，量子阱内的束缚态能级的数量会随着量子阱宽度的增加而增多，这样就会导致器件内部的俄歇复合[14-16]的几率有所增加，而俄歇复合几率的增加会导致量子阱蓝光LED的发光效率降低。

图4 不同量子阱宽度下的效率图Fig.4 Efficiency of different quantum well widths

图5 不同量子阱宽度下的发光光谱曲线(归一化后)Fig.5 Luminescence spectra of different quantum well widths(after normalization)

图5为归一化后的不同阱宽的光功率谱密度曲线图。蓝光的波长范围大概是在460nm到490nm左右，从图中得出，阱宽在2.5nm、3.5nm时的光功率谱密度曲线所对应的波长范围比较符合蓝光波长的具体要求，在阱宽为4.5nm时不符合蓝光波长的要求。这体现了量子阱蓝光LED的尺寸效应，即在阱宽较窄时，器件发出的光为蓝光，随着阱宽不断增大，器件发出的光颜色波长也不断增大。在阱宽较窄时，占据阱内的高量子态的载流子相对较多，发生辐射复合时，相对应放出的能量较多，此时发射光的波长会较短；在阱宽较大时，占据阱内的低量子态的载流子会比较多，当发生辐射复合时，释放的能量相对比较少，这就导致发射光的波长会比较长。

图6(a)～(c)为阱宽分别为2nm、4nm和6nm时不同偏压下归一化后的光功率谱密度曲线图。随着电压逐渐升高，发光光谱中的曲线有蓝移的情况出现。并且,随着阱宽逐渐增加，光谱发生的蓝移程度存在着增加的趋势。

图6 量子阱阱宽为2 nm(a)、4 nm(b)、6 nm(c)时的光功率谱密度图(归一化后)Fig.6 Optical power spectra of quantum wells (a) 2 nm, (b) 4 nm, (c) 6 nm(after normalization)

图7为单量子阱能带图。阱宽较窄时，由于器件中极化效应引起的能带弯曲现象，使得导带中的能级降落到三角势阱中，导带底与价带顶的能级差降低，光谱的蓝移程度较小；而当阱宽增加到一定宽度时，阱内束缚态高能级与低能级之间的能级差也会随着阱宽的增大而不断增大，这样会导致量子阱蓝光LED光谱蓝移程度的增加。

图7 单量子阱能带结构示意图Fig.7 Schematic diagram of single quantum well energy band structure

3 结论

对不同阱宽的蓝光LED的I-V特性、光功率特性、效率特性、光谱特性等进行了仿真研究。在阱宽为2 nm～3.5 nm时，发光效率最高，波长符合蓝光要求；阱宽一定时，随着电压的增加光谱有一定的蓝移现象；深入分析发光效率及光谱变化原因发现，束缚态能级的不同状态是导致光谱发生蓝移的原因，而俄歇复合的增强是导致器件效率下降的主要原因。综合考虑以上各个因素，蓝光LED量子阱的最优宽度在2.5nm～3.5nm。蓝光LED作为实现白光照明的关键，对其深入的研究可以促进我国半导体照明的进步和发展。

致谢：感谢北京工业大学在科研环境方面给予的支持。

[1] 刘恩科，朱秉升，罗晋生. 半导体物理学[J].第7版.北京：电子工业出版社，2011.

[2] 王声学, 吴广宁, 蒋伟,等. LED原理及其照明应用[J]. 灯与照明, 2006, 30(4):32-35.

[3] 罗贞礼. 中国LED照明产业“十二五”发展探析[J]. 新材料产业, 2011(1):1-8.

[4] 刘木清. LED对照明学科的深远影响[J]. 照明工程学报, 2014, 25(6):1-7.

[5] 王雅芳. LED封装用透明环氧的抗紫外老化性能研究[J]. 北京电子科技学院学报, 2010, 22(4):34-41.

[6] 林秀华, 林彦. LED照明新光源——光电科技的一朵奇葩[J]. 厦门科技,2010(4):26-28.

[7] 刘诗文, 郭霞, 艾伟伟,等. InGaN/GaN多量子阱蓝光LED电学特性研究[J]. 半导体光电, 2006, 27(3):240-243.

[8] 李国斌, 陈常水, 刘颂豪. InxGa1-xN量子阱蓝光LED光电特性与量子阱束缚态能级的关系[J]. 发光学报, 2013, 34(7):911-917.

[9] 雷亮, 曾祥华, 范玉佩,等. GaN基蓝光LED的多量子阱结构优化[J]. 光电子·激光, 2011(9):1326-1331.

[10] YANG Y, CAO X A, YAN C. Investigation of the Nonthermal Mechanism of Efficiency Rolloff in InGaN Light-Emitting Diodes[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2008, 55(7):1771-1775.

[11] SUN W, SHATALOV M, DENG J, et al. Efficiency droop in 245-247 nm AlGaN light-emitting diodes with continuous wave 2 mW output power[J]. Applied Physics Letters, 2010, 96(6):061102-061102-3.

[12] HIRAYAMA H, FUJIKAWA S, NOGUCHI N, et al. 222-282 nm AlGaN and InAlGaN-based deep-UV LEDs fabricated on high-quality AlN on sapphire[J]. Physica Status Solidi Applications & Materials, 2009, 206(6):1176-1182.

[13] KIOUPAKIS E, RINKE P, DELANEY K T, et al. Indirect Auger recombination as a cause of efficiency droop in nitride light-emitting diodes[J]. Applied Physics Letters, 2011, 98(16):161107-161107-3.

[14]裴风丽, 陈炳若, 陈长清. GaN蓝光LED电极接触电阻的优化[J]. 半导体光电, 2006, 27(6):742-744.

[15]SHEN Y C, MUELLER G O, WATANABE S, et al. Auger recombination in InGaN measured by photoluminescence[J]. Applied Physics Letters, 2007, 91(14):141101-141101-3.

[16] DELANEY K T, RINKE P, VAN d W C G. Auger recombination rates in nitrides from first principles[J]. Applied Physics Letters, 2009, 94(19):191109-191109-3.

Effect of Quantum Well Width on the Performance of Blue LEDs

WU Yuefang, GUO Weiling, CHEN Yanfang, LEI Liang

(KeyLaboratoryofOpto-electionicsTechnology,MinistryofEducation,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

The blue light emitting diode (LED) with quantum well structure is studied by the method of device simulation. The results indicate: with the increases of the width of the quantum well, the turn-on voltage increases; when the well width is 5 nm, the largest brightness can be obtained, but the emission spectrum is in the orange region and the luminescent efficiency is low; the largest luminescent efficiency can be obtained when the well width is between 2.5 to 3.5 nm, and the emission spectrum is within the blue range; when the quantum well width is constant, the spectrum undergoes blue shift when with the bias voltage increases. We also analyzed the reasons of the lower efficiency and emission spectrum shift: the different states of the bound states are responsible for the blue shift of the spectra, and the enhancement of the Auger recombination is the main reason for the decrease of the device efficiency.

blue LED; optical electric characteristics; device simulation; quantum well

国家863资助项目(2015AA033304),16教师队伍建设-青年拔尖项目(市级)(2000543116503)

郭伟玲，E-mail:guoweiling@bjut.edu.cn

TN312.8

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.01.002