垒层厚度对InGaN/GaN多量子阱电注入发光性能的影响及机理

黄佳琳， 易淋凯， 周 梅*， 赵德刚

(1. 中国农业大学 应用物理系， 北京 100083；2. 中国科学院半导体研究所 集成光电子学国家重点实验室， 北京 100083)

1 引 言

氮化镓(GaN)及Ⅲ族氮化物系列的材料(包括AlN、GaN、InN及合金)属于第三代半导体，在光电子学和微电子学领域都有重要的应用价值[1-5]，尤其是GaN基蓝光发光二极管(LED)及激光器的成功研制[6]使得GaN材料成为固态照明领域中的研究热点。相比于传统光源，GaN基LED具有发光效率高、实用寿命长、环保节能、使用灵活、发光均匀等优点，经过多年的发展，目前GaN基LED已经成功走向市场，但如果要获得更高发光效率的GaN基LED器件，不仅需要进一步改进材料质量、工艺及封装技术，还需要从器件结构上进行优化。InGaN/GaN多量子阱是GaN基LED器件的发光核心区域，研究结构参数对InGaN/GaN量子阱电注入发光影响的机理有助于提高LED及其他发光器件性能。

本文研究了InGaN/GaN(阱层In组分约为10%)多量子阱垒层(GaN层)的厚度对电注入发光性能的影响，并阐述了其机理。实验结果表明，当垒层厚度在6～24nm范围内时，适当增加垒厚，发光强度增强，而且在大电流注入下增加更多，我们认为，这可能是由于极化效应的影响，增加垒层厚度能够抑制电子泄漏，使得发光效率增大，另外，增加垒层厚度也会增加InGaN阱层的局域态深度，从而也能增强量子阱的发光强度。

2 材料结构及生长过程

图1是本文测试所采用的材料结构示意图，在c面蓝宝石衬底上采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法进行材料外延生长。材料结构主要有p-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、n-GaN层及蓝宝石衬底。Ga源、N源、Mg源分别为TMGa、NH3、Cp2Mg，载气为H2。n-GaN层由约20nm的GaN缓冲层(LT-GaN)、900nm厚的非故意掺杂的GaN层(u-GaN)及重掺硅的n型GaN层(n+-GaN)依次生长组成，然后在n-GaN层上生长InGaN/GaN多量子阱层，量子阱数目为3个，其中InGaN阱厚约为2.7nm、In组分大约为10%，GaN垒厚分别为6，12，24nm，最后再生长掺镁的p-GaN层。3个样品的阱层条件完全相同，只是垒层厚度不一样。材料生长完以后采用快速热退火工艺激活p型杂质。本文通过改变外加注入电流的大小，研究了GaN层垒厚对InGaN/GaN量子阱电注入发光性能的影响，并分析了其机理。

图1 InGaN/GaN量子阱样品材料结构示意图

Fig.1Schematic diagram of InGaN/GaN multiple quantumn well (MQWs) samples

3 结果与讨论

我们把垒层厚度分别为6，12，24nm的量子阱样品编号分别取为A、B、C。图2为样品A、B和C在5mA的注入电流下的电致发光(EL)光谱曲线，其中A、B、C的发光峰分别位于413.5，412.3，417.8nm，峰值相对强度分别为332，466，535。显然，从图中可以看出，样品C的电注入发光峰最强，而样品A的电注入发光峰最弱。我们还对电荧光的发光峰强度进行了积分，样品A、B、C的积分强度分别为934，1800，2323。3个不同垒厚的InGaN/GaN量子阱样品，特别是A和C的电荧光测试结果明显地表明：在相同的注入电流下，垒越厚，发光峰值的光强越大。

为了进一步研究发光强度随注入电流的关系，通过改变不同注入电流得到了相应的电荧光谱。图3是量子阱样品A、B、C电注入发光光强积分强度与注入电流的关系，可以看出，无论在小电流还是大电流的注入下，样品A的发光最弱，样品C的发光最强。随着垒层厚度的增加，InGaN/GaN量子阱的电注入发光强度增强更显著。在1mA注入电流下，样品A、B、C的电致发光光强积分强度依次为934，1800，2323；在20mA注入电流下，样品A、B、C的电致发光光强积分强度依次为7840，11283，24170。这表明，不同垒厚的电注入发光光强积分强度在1mA的注入电流下差距不大，但随着注入电流的增大，差距也随着变大。随着注入电流的增加，虽然这些量子阱样品的电注入发光强度都增大，但是垒层厚度厚的样品(特别是样品C)发光强度增加幅度更大，显然，增加垒层厚度可以改善InGaN/GaN量子阱在大电流注入条件下的电注入发光性能。

图2不同垒厚InGaN/GaN量子阱在5mA注入电流下的电致发光光谱

Fig.2Electroluminescence spectra of InGaN/GaN multiple quantum wells with different barrier thickness at a fixed5mA injection current

图33个不同垒厚的InGaN/GaN量子阱样品的电注入发光强度与注入电流的关系

Fig.3Dependences of the electroluminescence intensity on injection current for three samples with different barrier thickness

我们知道，c面蓝宝石衬底上生长的GaN基材料具有很强的极性，也就是具有很强的极化电场[7-9]。图4是考虑到极化电场后的InGaN/GaN量子阱能带结构示意图，可以看出，由于极化效应，GaN垒层和InGaN阱层的能带都发生倾斜。其中InGaN阱层和GaN垒层的能带分别向相反方向倾斜。GaN中的极化效应可以分为两种，即自发极化和压电极化。其中自发极化与应力无关， 而压电极化与应力有关。当垒层增大时，应力也随之增大，因此极化效应增强。垒层越厚，量子阱的能带倾斜就越大。从A、B、C3个样品在5mA注入电流下的发光峰位来看，垒层越厚则波长越长，也说明随着垒层厚度的增加，阱层中极化效应增强，能带倾斜加剧。如果从阱层能量最低处到垒层能量最高处作为电子跳出阱层所需要克服的势垒，那么随着垒层厚度的增加，除了势垒加宽以外，势垒高度也增大，电子克服势垒、跳出阱层的几率减小，电注入阱层的电子向外的泄漏就会减少。理论计算已经证明了增加垒层厚度可以减小InGaN/GaN量子阱的泄漏电流[10-12]。正是由于厚垒的样品电子泄漏少，使得更多的载流子滞留在阱中，用于辐射复合发光的载流子增多，所以垒层较厚的样品发光强度更大。而且，随着注入电流的增加，电子泄漏的问题一般就会更加严重。由于垒层厚的样品抑制电子泄漏效果更好，所以随着注入电流的增加，发光强度增加也会更显著，而垒层薄的样品在高注入下电子更容易泄漏，所以光强随电流增大而产生的增幅就相对较小。

图4考虑极化效应后的InGaN/GaN多量子阱能带结构示意图。图中虚线箭头之间的距离大致表示阱中的电子向外泄漏时必须克服的势垒高度。

Fig.4Conduction band and valence band of InGaN/GaN mutiple quantum wells after considering polarization effect. The dashed arrows schematically show the barrier height needed for electron leakage away from MQWs.

我们还对样品A和C的发光峰位进行了研究。在图2中，垒层厚的样品C的峰值波长大于垒层薄的样品A，其原因可能是如上所述，样品C的势阱中极化电场更大，相应的斯塔克效应更强，导致发光波长产生较大的红移。图5是InGaN/GaN量子阱样品A和C的发光峰位随注入电流变化的关系，在1mA的注入电流下，样品A和C的峰位分别为413.8nm和419.1nm；在5mA的注入电流下，样品A和C的峰位分别为413.5nm和417.8nm；在10mA的注入电流下，样品A和C的峰位分别为413.6nm和417.4nm；在20mA的注入电流下，样品A和C的峰位分别为413.8nm和417.2nm。从图中可以看到，对于样品C(垒厚24nm)，随着注入电流的增大，发光峰位明显地向短波方向移动，峰位出现了蓝移现象。而对于样品A(垒厚6nm)，随着注入电流的增加，发光峰位移动不明显。对于这个现象，我们认为还是可以用图4的能带结构模型进行解释：由于极化的存在会在耗尽区内的量子阱阱层中产生一个与内建电场方向相反的极化电场[13]，随着注入载流子的增多，多量子阱中电子和空穴电荷产生的电场力对内建电场的屏蔽作用增强[14]，在一定程度上减小了能带的倾斜程度，减小了电场引起的斯塔克效应，载流子跃迁发光产生的光子能量增加，所以垒厚24nm的量子阱样品发光峰随着注入电流的增加发生蓝移。而对于垒层较薄的样品情况就略有不同，此时因为电子跳出阱层所需克服的势垒较小，载流子泄漏较多，阱中的电子和空穴电荷产生的库仑电场力对极化电场的屏蔽作用不那么明显，所以垒厚为6nm的样品发光峰位随着注入电流的增加变化不大。

图5两个不同垒厚InGaN/GaN量子阱的发光峰位与注入电流的关系

Fig.5Dependences of emission peak position on injection current for two samples with different barrier thickness

我们发现，垒层厚度也会影响量子阱的电注入发光光谱半高宽，图6是InGaN/GaN量子阱样品A、B和C发光光谱半高宽随注入电流的变化关系(用EL光谱测试发光峰的半高宽)。在1mA的注入电流下，样品A、B和C的半宽高分别为15.7，17.1，18.2nm；在5mA的注入电流下，样品A、B和C的半宽高分别为16.8，18.2，19.3nm；在10mA的注入电流下，样品A、B和C的半宽高分别为16.7，19.3，20.0nm；在20mA的注入电流下，样品A、B和C的半宽高分别为16.7，19.4，20.8nm。从图6可以看出，在相同注入电流的情况下，随着垒厚的增加，半宽高逐渐变大；且随着注入电流的增大，样品A(垒厚为6nm)的半高宽几乎不再变化，而样品B(垒厚为12nm)和样品C(垒厚为24nm)的样品半高宽还在增大，且样品C的半高宽增幅显然比样品B大。一般认为，InGaN量子阱存在不同深度的局域态[15-16]，它们对量子阱的发光跃迁具有非常重要的影响。发光峰的半高宽与注入的非平衡载流子在这些局域态的分布紧密相关。 在注入电流较小的情况下，载流子容易只分布在深局域态中，此时光谱相对较窄；当注入电流增加时，更多的载流子可能填充进入浅局域态中，从而造成发光光谱的展宽[17]。在垒层厚度较厚的样品B和C中能清楚地看到这个现象。然而，在垒层很薄的情况下(如样品A的情况)，注入电流较高时量子阱中的电子比较容易发生泄漏。当注入电流很小时，只有较少的电子，主要都分布在较深的局域态，所以发光峰半宽度较小。而当注入电流增大时，注入电子比较容易泄漏出去，所以此时光谱并没有发生明显的展宽。发光峰位和光谱半高宽随注入电流变化的结果，再次说明了增加垒层厚度可能会减小电子泄漏。

图63个不同垒厚的InGaN/GaN量子阱的半高宽与注入电流的关系

Fig.6Dependences of FWHM on injection current for three samples with different barrier thickness

上述研究结果表明：适当增加垒层厚度，可以增加InGaN/GaN量子阱的发光强度，而且随着注入电流的增加，垒厚的样品电荧光发光强度增加更加明显，其主要原因可能是由于极化效应的存在，量子阱具有倾斜的能带，增加垒层厚度可以有效抑制注入电子的泄漏。随着注入电流的增加，垒厚的InGaN/GaN量子阱发光峰出现明显的蓝移，而且发光光谱出现明显的展宽，而垒薄的样品蓝移和光谱展宽都不明显，同样可能是由于垒厚的InGaN/GaN量子阱样品注入电子泄漏小所致。另外，除了垒厚可以抑制载流子泄漏以外，增加垒层厚度，还会引起InGaN阱层局域态深度的增加[18]。这些局域态由富In的团簇形成，在垒的生长过程中，由于应力或其他作用，更多的In原子会向团簇聚集，形成In组分更高的InGaN，从而造成了更深的局域态，如果InGaN阱层局域态深度增加，InGaN/GaN量子阱的发光强度也会增大，同时随着注入电流的增加，发光峰半高宽会增加，发光峰位也会出现蓝移。我们认为，上述现象应该是电子泄漏减小和局域态深度增加共同作用的结果。

但是，如果垒层太厚的话，应力也会太大，从而引起InGaN层材料生长质量的恶化，可能使材料的发光强度降低。同时，由于极化的增强，量子限制斯塔克效应增强[19]会降低发光强度。另外，垒层太厚，也会导致载流子在各个阱中的分布很不均匀，尤其是空穴的注入会更困难，也会导致发光强度降低。所以，势垒层也不能太厚。总的来说，当垒层厚度在6～24nm范围内时，垒层厚度如果增加适当，不仅可以减小电子泄漏，而且还会增加阱层局域态的深度，对提高量子阱的发光强度有利，从而改善InGaN/GaN量子阱电注入发光性能。

4 结 论

本文研究了不同垒厚对InGaN/GaN量子阱电注入发光性能的影响，并讨论了机理。从实验结果发现，当GaN垒层的厚度从6nm增大到24nm时，随着注入电流的增加，适当增加垒厚，不仅可以显著增加发光强度，而且使得发光峰出现明显的蓝移、光谱展宽。由于极化效应的存在，增加垒层厚度会使得能带的倾斜加剧，载流子跃出阱层所需克服的势垒增加，减少电子泄露，增加了载流子限制能力从而影响了发光效率、峰位和光谱宽度。增加垒层厚度还会增加阱层的InGaN局域态深度，也会增加发光强度。研究结果表明，当垒层厚度在6～24nm范围内时，适当增加垒层厚度可以提高InGaN/GaN量子阱的电注入发光性能。

[1] HARDY M T, FEEZELL D F, DENBAARS S P,etal.. Group Ⅲ-nitride lasers: a materials perspective [J].Mater.Today, 2011, 14(9):408-415.

[2] JIANG L R, LIU J P, TIAN A Q,etal.. GaN-based green laser diodes [J].J.Semicond., 2016, 37(11):111001.

[3] SUN Q, YAN W, FENG M X,etal.. GaN-on-Si blue/white LEDs: epitaxy, chip, and package [J].J.Semicond., 2016, 37(4):044006.

[4] JING K, FENG M, JIN C,etal.. GaN grown on nano-patterned sapphire substrates [J].J.Semicond., 2015, 36(4):043004.

[5] YANG J, ZHAO D G, JIANG D S,etal.. Different variation behaviors of resistivity for high-temperature-grown and low-temperature-grown p-GaN films [J].Chin.Phys. B, 2016, 25(2):027102.

[6] NAKAMURA S. The roles of structural imperfections in InGaN-based blue light-emitting diodes and laser diodes [J].Science, 1998, 281(5379):956-961.

[7] BERNARDINI F, FIORENTINI V,VANDERBILT D. Spontaneous polarization and piezoelectric constants of Ⅲ-Ⅴ nitrides [J].Phys.Rev. B, 1997, 56(16):10024-10027.

[8] SCHMIDT M C,KIM K C, SATO H,etal.. High power and high external efficiency m-plane InGaN light emitting diodes [J].Jpn.J.Appl.Phys., 2007, 46(4-7):L126-L128.

[9] KIM K C, SCHMIDT M C, SATO H ,etal.. Study of nonpolar m-plane InGaN/GaN multiquantum well light emitting diodes grown by homoepitaxial metal-organic chemical vapor deposition [J].Appl.Phys.Lett., 2007, 91(18):181120.

[10] 周梅， 赵德刚. InGaN/GaN量子阱垒层和阱层厚度对GaN基激光器性能的影响及机理 [J]. 物理学报， 2016, 65(7):077802.

ZHOU M, ZHAO D G. Barrier and well thickness designing of InGaN/GaN multiple quantum well for better performances of GaN based laser diode [J].ActaPhys.Sinica, 2016, 65(7):077802. (in Chinese)

[11] 赵玲慧, 张连, 王晓东,等. 基于InGaN/GaN多量子阱双波长发光二极管生长及发光性能 [J]. 光子学报, 2013, 42(10):1135-1139.

ZHAO L H, ZHANG L, WANG X D,etal.. Growth and optical properties of InGaN/GaN dual-wavelength light-emitting diodes [J].ActaPhoton.Sinica, 2013, 42(10):1135-1139. (in Chinese)

[12] 李正凯, 严启荣, 罗长得, 等. GaN垒层厚度渐变的双蓝光波长发光二极管 [J]. 光子学报, 2013, 42(7):757-762.

LI Z K, YAN Q R, LUO C D,etal.. Dual-blue wavelength light-emitting diodes based on varied GaN barrier thickness [J].ActaPhoton.Sinica, 2013, 42(7):757-762. (in Chinese)

[13] SALA F D， CARLO A D， LUGLI P,etal.. Free-carrier screening of polarization fields in wurtzite GaN/InGaN laser structures [J].Appl.Phys.Lett., 1998, 74(14):2002-2004.

[14] 顾晓玲，郭霞，梁庭，等. 双波长GaN基发光二极管的电致发光谱特性研究 [J]. 物理学报， 2007, 56(9):5531-5535.

GU X L, GUO X, LIANG T,etal.. The electroluminescence spectra of dual wavelength GaN-based light emitting diodes [J].ActaPhys.Sinica, 2007, 56(9):5531-5535. (in Chinese)

[15] O’DONNELL K P, MARTIN R W, MIDDLETON P G. Origin of luminescence from InGaN diodes [J].Phys.Rev.Lett., 1999, 82(1):237-240.

[16] SCHÖMIG H, HALM S, FORCHEL A,etal.. Probing individual localization centers in an InGaN/GaN quantum well [J].Phys.Rev.Lett., 2004, 92(10):106802.

[17] LIU W, ZHAO D G, JIANG D S,etal.. Effect of localization states on the electroluminescence spectral width of blue-green light emitting InGaN/GaN multiple quantum wells [J].J.Vac.Sci.Technol. A, 2015, 33(6):061502.

[18] LIANG M M, WENG G E, ZHANG J Y,etal.. Influence of barrier thickness on the structural and optical properties of InGaN/GaN multiple quantum wells [J].Chin.Phys. B, 2014, 23(5):054211-1-5.

[19] ZHAO D G, JIANG D S, ZHU J J,etal.. An experimental study about the influence of well thickness on the electroluminescence of InGaN/GaN multiple quantum wells [J].J.AlloysCompd., 2010, 489(489):461-464.