LED外延结构中渐变式Al组分的电子限制层

杨路华++孟锡俊

摘 要根据外延结构应力导致的极化引起的能带弯曲理论，采用渐变式Al组分的电子限制层（EBL层），可有效提升电子限制能力，同时降低了该层和P-GaN层之间的晶格失配，提高了P-GaN层的外延质量，得到了发光效率更高的GaN基LED外延片。

【关键词】LED外延 电子限制层 能带弯曲 渐变式Al组分

LED因其高效率、低功耗、无污染等优势，将会替代白炽灯、荧光灯、汞灯等发光材料，从而主导包括照明、光固化等诸多行业领域。优化外延结构，得到更高效的LED芯片，将是目前行业开发的主要方向。

本文主要针对LED发光效率问题作出讨论。LED发光效率不足，有源区载流子泄漏导致复合效率低是其中一个很重要的原因。EBL层对电子的限制，提升LED芯片的发光效率，因此当前很多研究开始针对EBL层，主要有AlGaN超晶格EBL层，AGA型复合EBL层等，通过改进EBL层结构，达到提升发光效率的目的。本文对渐变式的EBL层结构进行研究，利用极化导致的能带弯曲，提高该层对有源区电子泄露的限制，提高空穴注入效率，从而提升发光效率。

1 实验

1.1 实验方法

实验所使用样品通过MOCVD法外延生长，基本结构包括成核层、修复层、复合N型层、多量子阱垒层、EBL层和复合P型层。

针对AlGaN-EBL层设计两个系列的对比实验，其中系列一对比EBL层Al掺杂量对外延片亮度的影响，系列二对比EBL层不同Al掺杂方式对外延片亮度的影响。

系列一设计X、Y、Z三组对比实验，EBL层Al掺杂分别为15%、13%、17%；系列二设计A、B、C三组对比实验，分别为正常p-AlGaN-EBL层、Al组分递增AlGaN-EBL层、Al组分递减AlGaN-EBL层。其中A组样品EBL层Al组分为15%；B组样品EBL层的Al组分从13%渐变到17%；C组样品EBL层Al组分从17%渐变到13%。

实验获得的外延片样品加工为0810标准管芯，并对芯片进行光电性能测试。在20mA工作电流下，测试正向电压Vf、峰值波长WLP和发光功率IV。

1.2 实验数据对比

系列一实验中，三组样品亮度对比结果为Z>X>Y，即当Al掺杂量增多，外延片亮度会有一定的提升，但是提升效果并不明显，而且Vf值随着Al组分的上升而骤升，导致输入功率的增加，降低发光效率。

系列二实验中，三组样品Vf对比结果为C>B>A，亮度对比结果为C>A>B，即当使用Al组分渐变的EBL结构，正向电压Vf值上升。

2 结论与分析

2.1 电子泄露模型

在多量子阱垒生长结束之后，生长EBL层，通过在导带形成较高的势垒，有效地限制电子泄露到P型层提前复合。但尽管EBL层势垒很高，仍然有一部分电子可以不受限制而泄露。

电子的分布服从费米-狄拉克分布，电子在导带的浓度如式（1）：

（1）

其中是导带态密度。

量子阱可限制大部分的電子，EBL层则可阻挡更多的电子。但仍然有一定比例的电子可越过EBL层壁垒，进入P层与空穴提前复合。有效的限制电子的泄露，是提升外延片亮度的重要途径。

2.2 EBL层Al组分对外延片性能的影响

系列一实验中，EBL层Al组分增加，势垒高度升高，电子泄露的比例进一步降低，亮度提升效果在3%以上。但同时因势垒高度增大，导致芯片正向电压升高，输入功率增加，二者相抵消，发光效率实际并没有提升。

2.3 EBL层Al掺杂工艺对外延片性能的影响

在多量子阱垒层，因受到极化电场的影响，阱垒层都会出现能带的弯曲倾斜。阱垒生长材料不同，阱层和垒层受到不同方向的应力，因此阱垒层极化电场的方向是相反的，阱垒层能带弯曲的方向也是相反的。

同样，EBL层也存在同样的问题，在量子阱垒和AlGaN之间的层接处，能带也发生弯曲。本文采用简化的能带图进行了简要的分析。

EBL层由于极化导致的能带弯曲，呈现出能带倾斜，EQ（EBL层与量子阱垒层接处）位置导带底和价带顶均高于EP位置（EBL层与P型层接处），因此阻挡电子泄露，EBL层主要作用区域在EQ位置，而对空穴的阻挡，主要作用区域在EP位置。

当EBL层使用Al组分渐变的工艺，该层的能带也会有所变化，相对于普通EBL结构的A样品，C样品的外延结构，EQ位置导带底升高，加大了这个位置势垒的高度，对于限制电子泄露起到了积极地作用。而EP位置价带顶升高，更有利于空穴注入有源区。同时因极化导致的能带弯曲，EQ位置价带顶下降对P-GaN层空穴注入的阻挡作用低于EP位置，Al掺杂增加引起的价带顶下降并不足以将这种阻挡作用提升到与EP位置同样的效果。而B样品恰恰与之相反。

3 结果与讨论

本研究的创新点在于，利用外延结构应力导致极化引起的能带弯曲，通过生长Al组分渐变的EBL层，调整EBL层的能带结构，有效的提升了限制电子泄露的能力。

本文通过调整P-AlGaN-EBL层Al组分的掺杂工艺，找到了一种使用Al组分渐变的生长过程工艺，即EBL层开始生长时Al组分较高，之后逐渐降低，这种生长工艺既可以有效提升EBL层限制电子泄露能力，又不影响空穴注入，同时降低该层与P-GaN层晶格失配，从而有效的提升外延片的亮度。

参考文献

[1]黄昆，谢希德.半导体物理学[M].北京：科学出版社，1958.

[2]曾梦麟.铝镓氮电子阻挡层对绿光LED性能影响的研宄[D].长沙：湖南大学，2012.

[3]齐胜利，陈志忠，潘尧波等.釆用AlGaN/GaN阻挡层的大功率InGaN/GaN MQWs蓝光LED[J].半导体技术，2008（33）：216-218.

[4]H.Masui，S.Nakamura，S.P.DenBaars， and U.K.Mishra.Nonpolar and semipolar Ill-Nitride light-emitting diodes：achievements and challenges. IEEE T.Electron Dev.，2010，57，88.

作者简介

杨路华（1973-），男，汉族，陕西省大荔县人。大学本科学历，毕业于西安政治学院，现任西安中为光电科技有限公司总经理，从事企业经营管理及技术质量管理工作27年。

作者单位

西安中为光电科技有限公司 陕西省西安市 710065