量子阱结构对含V形坑InGaN/GaN蓝光LED效率衰减的影响

吕全江， 莫春兰， 张建立， 吴小明， 刘军林， 江风益

(南昌大学 国家硅基LED工程技术研究中心， 江西 南昌 330047)

量子阱结构对含V形坑InGaN/GaN蓝光LED效率衰减的影响

吕全江， 莫春兰*， 张建立， 吴小明， 刘军林， 江风益

(南昌大学 国家硅基LED工程技术研究中心， 江西 南昌 330047)

使用MOCVD在图形化Si衬底上生长了含V形坑的InGaN/GaN蓝光LED。通过改变生长温度，生长了禁带宽度稍大的载流子限制阱和禁带宽度稍小的发光阱，研究了两类量子阱组合对含V形坑InGaN/GaN基蓝光LED效率衰减的影响。使用高分辨率X射线衍射仪和LED电致发光测试系统对LED外延结构和LED光电性能进行了表征。结果表明：限制阱靠近n层、发光阱靠近p层的新型量子阱结构，在室温75 A/cm2时的外量子效率相对于其最高点仅衰减12.7% ，明显优于其他量子阱结构的16.3%、16.0%、28.4%效率衰减，且只有这种结构在低温时(T≤150 K)未出现内量子效率随电流增大而剧烈衰减的现象。结果表明，合理的量子阱结构设计能够显著提高电子空穴在含V形坑量子阱中的有效交叠，促进载流子在阱间交互，提高载流子匹配度，抑制电子泄漏，从而减缓效率衰减、提升器件光电性能。

硅衬底； InGaN/GaN蓝光LED； 效率衰减； V形坑； 量子阱结构

1 引 言

近年来，随着光效的快速提升，InGaN/GaN基LED已在照明、显示等领域得到广泛应用[1-2]。为了进一步节能以及降低成本，LED发光效率的提高仍是目前学术界和产业界的关注热点。典型的InGaN多量子阱(Multi quantum well,MQW)LED量子效率会在小电流密度下(<20 A/cm2)达到极大值[3]，随后若再增大电流密度，其发光效率会逐渐下降，即出现“效率衰减”(Efficiency droop)现象[4-5]。对引起InGaN/GaN基LED发光效率随电流密度增加而衰减(Current-density droop或J-droop)原因的研究由来已久，形成了众多不同的观点，包括载流子泄漏(Carrier leakage)[5]、俄歇复合(Auger recombination)[6]、空穴注入能力差(Poor hole injection efficiency)[7]以及载流子在多量子阱中不均匀分布(Nonuniform carrier distribution)[8]等。但目前为止，对这一问题仍然没有统一的说法。针对各种引起InGaN/GaN基LED发光效率衰减的原因，研究者们制定了不同的应对策略，主要表现为：加强空穴注入能力、提高量子阱对载流子的束缚能力、提升载流子在阱区匹配度从而减小电子泄漏和俄歇复合等[9-11]。

众所周知，由于缺少合适的同质衬底材料，GaN薄膜通常在异质衬底(如蓝宝石、SiC、硅衬底等)上生长。由于二者之间巨大的晶格失配和热失配，导致GaN薄膜外延生长过程中产生的穿透位错 (Threading dislocation，TD)密度高达108～1010/cm2。这些TDs在做近似垂直延伸时伴随形成倒六角金字塔状，6个侧面为{10-11}面的V形缺陷，即通常所说的V形坑(V-pits)[12-14]。作为InGaN/GaN 基LED器件的一个典型特征，V形坑在屏蔽位错、提高器件发光效率方面的作用已经取得广泛的认同[15]；随着研究的不断深入，V形坑提升空穴注入量子阱的效率、改善载流子在阱区不均匀分布的作用也逐渐被认识和利用，从而显著提高了InGaN/GaN LED器件的光电性能[16-19]。关于V形坑的形成机理及V形坑大小对InGaN/GaN基蓝光LED光电性能的影响已有大量研究，但是对于V形坑如何影响多量子阱结构中载流子的输运及复合机制尚未有清晰的认识，尤其是V形坑对靠近p层少数几个阱发光行为的影响。因此，研究V形坑对载流子在阱区输运及复合的影响，对于提高蓝光LED的发光效率具有积极的意义。

本文在含V形坑的外延结构基础上，通过改变生长温度生长不同In组分的多量子阱，研究具有不同势垒差的多量子阱结构对含V形坑蓝光LED光电性能的影响。采用高分辨率X射线衍射(HR-XRD)、电致发光(EL)、变温变电流电致发光(VTEL)等对材料和器件的性能进行表征。研究结果表明，对含V形坑结构的蓝光LED器件，设计合理的量子阱结构，将量子阱分为载流子限制阱和发光阱，利用不同阱间的势垒差促进载流子在阱间交互，提升电子空穴在阱区匹配度，可以在一定程度上减缓效率衰减效应、提升光效。

2 实 验

实验样品均采用图形化硅衬底选区生长技术在Thomas Swan CCS MOCVD外延生长系统中制备[20-22]。其外延结构如图1(a)所示，自下至上分别为Si(111)衬底、AlN缓冲层、n型GaN层、周期数为30的In含量约为3%的InGaN/GaN超晶格、低温GaN电子注入层、9个周期的InGaN/GaN多量子阱(阱3 nm，垒10 nm)、p-AlGaN电子阻挡层、p-GaN空穴注入层和重掺Mg的p-GaN接触层。

图1(b)为样品能带结构示意图，在A、B、C、D 4个样品中，较深的蓝色标记的阱代表生长温度为836.5 ℃的禁带宽度Eg较小的发光阱，设计波长为455 nm；较浅的青色标记的阱代表生长温度为842.5 ℃的禁带宽度Eg较大的载流子限制阱，设计波长为445 nm。红色部分代表p-AlGaN电子阻挡层。器件结构为垂直结构，芯片有效发光面积为1 mm × 1 mm，其详细制造过程见文献报道[21]。

图1 硅衬底InGaN/GaN基蓝光LED蓝色发光二极管。(a)外延结构示意图；(b)样品A、B、C、D能带结构示意图。

Fig.1 Schematic diagram of InGaN/GaN-based blue LED on silicon substrate． (a) Epitaxy layers. (b) Energy band structure of sample A, B, C and D, respectively.

3 结果与讨论

使用 Panalytical公司生产的X'Pert PRO高分辨率X射线双晶衍射仪( Cu 靶，40 kV ×40 mA) 表征样品A、B、C、D外延片的结构及晶体质量，结果如图 2 所示。图2中较强的主峰来自GaN层，其他较弱的0、±1、±2、-3、-4峰是MQW的卫星峰。4个样品的衍射曲线均能清楚地看到MQW第4级卫星峰，表明4个样品的晶体质量都很好，量子阱阱层和垒层界面陡峭。通过进一步软件拟合发现，4个样品的量子阱厚度基本一致，本实验中将阱的温度升高或降低6 ℃并没有对MQW厚度产生明显影响。

图2 样品A、B、C、D外延片的XRD ω-2θ衍射峰曲线。

Fig.2 XRDω-2θpeak curves of sample A, B, C and D, respectively.

本文选取在350 mA下点测得到的主波长在453～454 nm范围内的芯片进行封装，封装成灯珠后采用 Keithley 2635恒流源作为激发源给样品加占空比为10%的脉冲直流电信号，并同时记录样品的电流-电压(I-V)特性，测试电压范围为0～3.5 V。样品发出的稳态EL信号经Instrument Systems公司生产的型号为 ISP250- 211 的积分球和型号为CAS140CT的光谱仪进行探测，得到室温不同电流密度下的外量子效率(EQE)强度曲线，测试电流范围为0.01～750 mA。

图3 样品A、B、C、D的外量子效率曲线(a)和正向偏压下的I-V曲线(b)。

Fig.3 EQE curves (a) and forward-biasI-Vcurves (b) of sample A, B, C and D, respectively.

图3为室温下4组样品的EQE和正向I-V曲线，从图3(a)EQE曲线中可以看出：

(1)在小电流密度下(≤5.5 A/cm2)，样品C 的EQE最大，样品A、B次之且二者曲线在整个测试范围内基本重合，样品D的EQE最小；4个样品EQE最大值ηmax差别不大，均在67%附近。

(2)在大电流密度下，4组样品都出现了效率衰减现象，样品C的效率衰减最严重。定义ηdroop=(ηmax-η750)/ηmax(式中ηdroop为效率衰减比率，η750为样品在750 mA测试电流下的EQE)，则样品A、B、C、D的效率衰减分别为16.3%、16.0%、28.4%、12.7%。从图3(b)I-V曲线中可以看出，样品A、B的正向电压曲线几乎重合，样品D正向电压稍大于样品A、B，而样品C则表现出明显的正向电压增加现象。在350 mA工作电流下，样品A、B、C、D的正向电压分别为3.02，3.03，3.12，3.06 V。

综合EQE和正向I-V结果可以得出，改变含V形坑的量子阱的结构及势垒差对InGaN/GaN基蓝光光电性能产生了显著影响。相对于样品A、B、C，样品D在大电流密度下不仅EQE有了提高而且效率衰减现象有了大幅改善，与样品C相比，其效率衰减降低16%左右。需要注意的是，样品D靠近p层的2个发光阱的生长温度较前面7个载流子限制阱降低了6 ℃，导致其In组分变多，禁带宽度Eg变小，二者之间产生势垒差；同时由于空穴有效质量大、迁移率低等原因，空穴主要集中分布在靠p层Eg较小的少数几个阱中，使得发光阱中的载流子浓度更高且电子空穴匹配度更好，从而导致样品D不仅效率高、droop效应小而且工作电压低，有较为优异的光电性能。

从图3(a)可以观察到一个很有意思的现象：样品A和B的EQE曲线在整个测试电流范围内基本重合。进一步对比其他光电性能(如半峰宽、峰值波长、光谱随电流密度的变化)发现，样品A和B在室温下的几乎所有曲线都相吻合。需要注意的是样品B在样品A的结构上只是在靠p层末阱生长时温度升高6 ℃，因此我们认为，在含V形坑结构的InGaN/GaN基蓝光LED中，末阱对整个阱区发光贡献不大，甚至几乎不发光。这一结果与以往众多文献模拟中所提出的InGaN/GaN基蓝光LED以末阱发光为主[23-24]的结论截然相反。当然，需要指出的是之前文献中的模拟模型都不包含V形坑。而最近Li等对含V形坑多量子阱中靠p层末阱发光行为模拟结果的报道[18]与我们在实验中所观察到的现象相吻合。

样品C所表现出来的小电流密度EQE高于其他样品，而大电流密度下效率衰减严重且工作电压高的现象，可能原因是样品C在小电流密度下有利于载流子注入发光阱，在大电流密度下发生了较为严重的电子泄漏。为进一步探究效率衰减效应与电子泄漏之间的关系，解释各个样品droop效应的差异，我们对4个样品进行了变温变电流电致发光(VTEL)测试，测试温度范围为100～350 K，结果如图4所示。

图4 样品A、B、C、D的IQE曲线。

对于InGaN/GaN基LED，EQE随温度降低而增大。这是由于温度降低，缺陷(主要是点缺陷)被部分“冻结”，从而减少了由缺陷引起的非辐射复合[25]。在这种情况下，我们假设低温下EL强度最大值对应的IQE(内量子效率)为100%，其他测试温度和电流对应的IQE可以通过与低温下EQE最大值进行归一化处理获得[26-27]。本文测试中以100 K的EQE最高值做归一化处理得到样品A、B、C、D的IQE曲线。

从图4发现，在低温时(≤150 K)，样品A、B、C均出现了IQE随电流密度增大而剧烈下降的现象，且在样品C中表现尤为突出。在100 K温度下，样品A、B、C发生IQE曲线突然下降的电流密度分别为2，1.5，0.18 A/cm2。样品C在150 K即出现IQE曲线随电流密度增大突然下降的现象，而样品D在整个测试温度范围内无IQE突然下降现象。

图5给出了具有V形坑的InGaN/GaN基蓝光LED载流子输运的示意图。由于Mg激活能大导致空穴浓度不足，再加上空穴有效质量大、迁移率低等原因，空穴由图5中path 1直接向多量子阱中扩散或隧穿长度一般在80 nm左右[28]，很难到达图中所示的靠n层的量子阱中。相对于样品A，样品C靠p层的两个Eg较大的限制阱会阻碍空穴由path 1注入靠n层的发光阱中，而V坑侧壁薄、电阻小，从而迫使部分空穴由path 2注入靠n层的发光阱中。由此，在小电流密度下，由于有V坑侧壁(path 2)注入空穴的补充，样品C发光阱中的载流子匹配度更高，从而导致其EQE显著高于样品A；随着电流密度的增大，从V坑侧壁(path 2)注入的空穴电流逐渐趋于饱和，此时path 1成为主要空穴注入通道，样品C靠p层两个Eg较大的限制阱将不利于空穴的注入，从而导致严重的电子泄漏，并造成IQE曲线出现严重的droop效应，当温度降低时，空穴浓度的显著下降将加剧这一现象。样品B由于靠近p层只有1个限制阱，所以对空穴从path 1注入发光阱影响小，只有在100 K、电流密度大于1 A/cm2时才表现出与样品A的差异，如图4所示，这也说明最后一个阱对载流子注入影响不大。对于样品D，由于其靠p层的两个发光阱Eg较小，有利于空穴由path 1注入，同时电子自n侧注入到阱区时会被Eg较大的限制阱所“冷却”， 减少电子在靠近p层发光阱中的堆积，所以电子泄漏得到抑制，大电流密度下的效率衰减最小。以上结果表明，不同限制阱和发光阱的组合可以显著影响载流子在含V形坑量子阱中的输运及复合，而载流子的输运及复合直接影响器件的光电性能。对于含V形坑的InGaN/GaN基蓝光LED，合理的量子阱结构设计可以使器件获得更加优异的光电性能。

图5 载流子由V形坑侧壁量子阱注入及等效电路示意图

Fig.5 Carrier injected into the quantum well from the sidewall of the V- pits and it’s equivalent electrical circuit model

4 结 论

使用MOCVD方法，在图形化硅(111)衬底上生长了含V形坑的InGaN/GaN基蓝光LED。通过生长载流子限制阱和发光阱，研究了两种不同类型量子阱的组合对含V形坑的InGaN/GaN基蓝光LED效率衰减的影响。结果表明，通过优化异质结构改变不同类型量子阱势垒差，可以提高载流子在含V形坑量子阱中的注入及复合效率，提升载流子在阱区匹配度，抑制电子泄漏，获得更加优异的光电性能。在电学性能方面，具有不同的量子阱势垒差的A、B、C、D 4组样品在350 mA下的正向电压依次为3.02，3.03，3.12，3.06 V。在光学性能方面，A、B、C、D 4组样品在75 A/cm2时相对于各自EQE最大值的效率衰减分别为16.3%、16.0%、28.4%、12.7%。在低温时，样品A、B、C都出现IQE在大电流下剧烈衰减的现象且趋势依次加重，而样品D在整个测试温度范围内并未出现IQE剧烈下降情况。本文给出通过不同类型量子阱组合产生能级势垒差的新型量子阱结构，对于减缓LED器件在大电流密度下的效率衰减有一定的参考价值。

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吕全江(1989-)，男，湖北随州人，硕士研究生，2013年于中南林业科技大学获得学士学位，主要从事硅衬底LED材料与器件方面的研究。

E-mail: lyuquanjiang@qq.com

莫春兰(1976-)，女，江西吉安人，博士，副研究员，硕士生导师，2006年于南昌大学获得博士学位，主要从事硅衬底LED材料与器件的研究。

E-mail: mclan@ncu.edu.cn

Effect of Quantum Well Structure on The Efficiency Droop of V-pits-containing InGaN/GaN Blue LED

LYU Quan-jiang, MO Chun-lan*, ZHANG Jian-li, WU Xiao-ming, LIU Jun-lin, JIANG Feng-yi

(National Institute of LED on Silicon Substrate, Nanchang University, Nanchang 330047, China)

*Corresponding Author, E-mail: mclan@ncu.edu.cn

V-pits-containing InGaN/GaN blue LEDs were grown on patterned Si substrate by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD). A carrier confinement quantum well(QW)with a larger band gap and a light-emitting QW with a slightly smaller band gap were grown by tuning growth temperature. The effect of QW structure on the efficiency droop performance of V-pits-containing InGaN/GaN blue LED was investigated with some means to mix the two different types of QW. LED epitaxial wafers and LED photoelectric properties were characterized by high-resolution X-ray diffraction and LED test system. For the novel quantum well structure in which the confinement QW close to the n-side and the light-emitting QW close to the p-side, the droop of the external quantum efficiency is only 12.7%, which shows a more significant improvement compared with other QW structures (16.3%, 16.0%, 28.4%). What’s more, only for this kind of structure, the internal quantum efficiency does not decrease sharply with the increasing of drive current at low temperature(T≤150 K). The results show that a reasonable design of QW structure can significantly improve the effective overlap of electron-hole pairs in V-pits-containing InGaN/GaN QWs, promote carriers interaction between wells, and then improve carriers matching degree, inhibit electron leakage, retard efficiency droop, and finally enhance the photoelectric properties of devices.

Si substrate; InGaN/GaN blue LED; efficiency droop; V-shaped pits; quantum well structure

1000-7032(2017)07-0923-07

2016-12-21；

2017-01-22

国家重点研发计划重点专项(2016YFB0400600,2016YFB0400601)； 国家自然科学基金重点项目(61334001)； 国家自然科学青年基金(21405076)； 国家自然科学地区基金(11364034)； 江西省自然科学基金(20151BAB207053)； 江西省自然科学基金(20161BAB201011)资助项目 Supported by State Key Program of Research and Development of China (2016YFB0400600, 2016YFB0400601); State Key Program of National Natural Science of China (61334001); National Science Foundation for Young Scientists of China (21405076); Fund for Less Developed Regions of National Natural Science Foundation of China (11364034); Natural Science Foundation of Jiangxi Province (20151BAB207053); Natural Science Foundation of Jiangxi Province (20161BAB201011)

O484.4； TN383+.1

A

10.3788/fgxb20173807.0923