电子阻挡层Al组分对Si衬底GaN基黄光LED内量子效率的影响

胡耀文， 高江东， 全知觉， 张建立， 潘 拴， 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 330096)

1 引 言

近年来，GaN基高效发光二极管(LED)在背光照明、阵列投影和道路照明等领域备受关注[1-4]。尽管蓝光LED因其极高的发光效率已经商用，但无论GaN体系还是GaP体系都很难获得高光效黄光LED，这一现象被称为“黄光鸿沟”[5-6]。在GaN体系黄光LED中，量子阱In组分一般在30%～40%，如此高In含量的量子阱，其生长温度一般会低于760 ℃，这样过低的生长温度将严重降低量子阱晶体质量。另一方面，量子阱中In含量越高，压电极化电场越强，这会加剧量子阱中电子和空穴波函数的空间分离，严重降低器件的发光效率[7-8]。

目前，商用GaN基LED一般使用Mg作为受主杂质以获得p型GaN，但是由于Mg激活能以及离化能较大，即使采用1×1020cm-3的高浓度Mg掺杂，实际获得的空穴浓度也很难超过1×1018cm-3，而n型GaN中电子浓度可达5×1018cm-3。此外，GaN材料中电子迁移率远高于空穴迁移率，因此GaN基LED中有源区容易产生大量的电子溢出到p层现象，导致光效随电流密度的增加而迅速下降[9-10]。目前商用GaN基LED一般采用AlGaN在p-n结处作为电子阻挡层(EBL)以阻挡电子溢出有源区，但是EBL也会阻碍空穴进入有源区，即会降低空穴的注入效率[11]。因此，优化EBL结构以提高空穴注入效率是值得研究的。

在使用MOCVD法生长GaN基LED外延薄膜时，由于InGaN量子阱的生长温度较低，会在薄膜的线位错周围形成一种呈倒六棱锥体的缺陷，因断面为V字形一般称其为V形坑。Quan、Li等从理论上证实了V形坑侧壁面因其为半极性面特性，可作为空穴进入有源区的有效途径，从而使空穴避开极性面AlGaN电子阻挡层的高势垒，使空穴更容易进入靠近n层的量子阱中，提升载流子在有源区的均匀性，使量子阱中电子与空穴的辐射复合率大幅度提升，从而提高光效[12-13]。

硅衬底氮化镓基黄光LED一般具有双层电子阻挡层设计，按生长次序分为EBL-1与EBL-2。由于电子阻挡层的生长在V形坑修复之前，在V形坑侧壁处也会生长倾斜的EBL[14]，而其中EBL-1更接近量子阱可能更容易影响载流子中空穴的注入。

结合上述分析，本文欲通过改变EBL-1中Al组分来加大平台区域对空穴阻挡的势垒高度，进而促进更多的空穴从势垒高度更低的V形坑侧壁注入到量子阱中。并利用Silvaco公司开发的Atlas进行数值模拟研究，从理论上探究其中的物理机理[15]。

2 实验与器件仿真

2.1 实验

实验使用的3组样品均由南昌大学自行研制的高喷淋头MOCVD生长设备制备。使用5.08 cm(2 in)图形化Si(111)衬底，三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)、三甲基铟(TMIn)、三甲基铝(TMAl)、氨气(NH3)、二茂镁(Cp2Mg)、硅烷(SiH4)分别作为Ga源、In源、Al源、N源、Mg源和Si源，氢气(H2)、氮气(N2)作为载气，薄膜生长方向为〈0001〉。图1是样品外延层结构示意图，由下至上依次为图形化Si(111)衬底，120 nm的AlN缓冲层，2.8 μm的n型GaN层，32个周期的In0.08GaN(5 nm)/GaN(2 nm)超晶格，10 nm的低温GaN层，7个周期的In0.33GaN(2.5 nm)/GaN(13 nm)量子阱垒，第8个周期量子阱垒为In0.33-GaN(2.5 nm)/GaN(7 nm)，随后是6 nm的AlxGaN(1-x)非故意掺杂电子阻挡层(EBL-1)，4 nm的p型Al0.2Ga0.8N电子阻挡层(EBL-2)，130 nm的p型GaN。其中在n型GaN生长完成后样品表面平整，在InGaN/GaN超晶格生长过程中样品表面会形成V形坑，最后在p型GaN生长过程中V形坑会被GaN填充直到样品表面重新变为平整。

图1 3组实验样品外延结构图

Fig.1 Schematic epitaxial structure for our investigated three samples

3组样品A、B、C结构设计上的唯一区别在于EBL-1中Al组分不同，分别为20%、50%和80%，使用硅衬底GaN基黄光LED芯片工艺将外延片制备成器件[16]。使用Keithley 2 635 A直流电源、IS ISP250-110积分球和IS CAS140CT光谱仪对样品电致发光光效进行表征。

2.2 器件仿真

采用半导体仿真软件Silvaco Atlas对实验中的样品进行器件仿真研究。主要应用的物理模型包括纤锌矿能带模型、载流子漂移扩散模型、不完全离化模型、Shockley-Read-Hall复合模型、俄歇复合模型、一般辐射复合模型。其中辐射复合系数设置为2×10-11cm3·s-1，俄歇复合系数设置为6×10-30cm6·s-1。由于EBL中不同Al组分晶体生长质量的差异，3组样品Shockley-Read-Hall(SRH)复合中载流子寿命分别设置为12，12，2 ns，所有参数均在已有报道的合理范围内[13,17-19]。

图2 (a)样品B的V形坑及附近量子阱的透射电镜(TEM)测试结果；(b)硅衬底GaN基黄光LED相应仿真结构截面示意图。

Fig.2 (a) Transmission electron microscopy(TEM) test results of V-shaped pits and nearby quantum wells sample B. (b) Schematic cross-section of the corresponding simulation structure of GaN-based yellow LED on silicon.

3 结果与讨论

图3为3个样品的实际测试和仿真软件得到的电致发光下内量子效率(IQE)-电流密度曲线。从实验结果可知，3个样品IQE最高点分别为56.7%@1.5 A·cm-2、55.9%@2 A·cm-2和28.5%@5.5 A·cm-2。特别是在样品C中，内量子效率下降更为明显。值得注意的是，仿真与实际测试结果均显示：小电流密度下，样品B的IQE低于样品A；而大电流密度下，样品B的IQE高于样品A。图3(b)中，虚线为样品C不考虑生长高Al组分EBL-1带来的晶体质量变差的模拟结果(采用SRH复合中载流子寿命12 ns)。虚线模拟结果表明，若不考虑晶体质量变差，那么大电流下，样品C的IQE最高。而蓝色实线则是考虑样品C生长80% Al组分EBL-1带来的晶体质量的影响，并减小仿真模型中载流子寿命(SRH复合中载流子寿命2 ns)。其模拟与实际测试结果均显示样品C具有最低的内量子效率。生长80% 高Al组分EBL-1层不仅会使得该层晶体质量变差，C污染增多、后续p层Mg激活变得困难等问题都会降低其内量子效率。因此，样品C仿真仅考虑改变SRH复合中载流子寿命而得到的IQE结果仍会与实际测试结果有一定差距。

图3 (a)样品A和B的测试和仿真内量子效率(IQE)；(b)样品C的测试和仿真内量子效率(IQE)。所有样品在35 A·cm-2下测得主波长为565 nm。

Fig.3 Tested and simulated internal quantum efficiency (IQE) for sample A， B(a) and C(b). The tested dominant wavelengths of samples are all 565 nm at 35 A·cm-2.

为了探究在大电流情况下，样品B的IQE效率高于样品A这一现象的原因，本文对仿真结果中3个样品的量子阱中空穴浓度分别进行分析。图4是3个样品在35 A·cm-2电流密度下空穴浓度分布图(样品C的SRH复合中载流子寿命为2 ns)。从左至右依次是n型GaN一侧的1st量子阱至p型GaN一侧的8th量子阱。从图中可以看出，样品A对应的8th量子阱中空穴浓度最多，样品B对应的8th量子阱中空穴浓度较少，样品C对应的8th量子阱中空穴浓度最低。可能是因为EBL-1中Al组分的增加，使8th量子垒GaN与EBL-1中压电极化场增加，价带势垒升高，导致空穴浓度降低。从图4中可以看出，随着EBL-1中Al组分增加，具有最高空穴浓度的量子阱更倾向于靠近n型GaN一侧，且空穴浓度在每个量子阱中分布得更为均匀。值得注意的是，样品B和样品C的前7个量子阱的空穴浓度均超过了样品A。

图4 在电流密度35 A ·cm-2下，3个样品的(0001)多量子阱中空穴浓度的仿真结果对比。

Fig.4 Calculated hole concentrations of (0001) multiple quantum wells of three samples at 35 A·cm-2

表1 3个样品Hc和Hv计算结果以及测试和仿真IQE(@20 A·cm-2)值

小电流下，由于EBL-1价带势垒高度随着EBL-1中Al组分提高逐渐增高，空穴注入难度加大，3个样品内量子效率随着EBL-1中Al组分提高而降低。但是在大电流下(不考虑生长高Al组分EBL-1带来的晶体质量变差的影响)，空穴更容易从V形坑侧壁注入至量子阱中。量子阱有源区具有更多的空穴，从而内量子效率随着EBL-1中Al组分增加而提高。

而实验测试中样品C相比于样品B，其内量子效率有所下降，主要归结为其EBL-1中Al组分过高导致晶体质量大幅度下降，更多的Al组分也会导致更多的C杂质进入AlGaN[24]，继而影响其后生长的p型GaN晶体质量，对空穴传入造成不利影响。空穴浓度下降，从而严重降低内量子效率。

4 结 论

从实验和仿真两方面分析了EBL-1中Al组分对GaN基黄光LED内量子效率的影响，并获得了与实际测试非常接近的内量子效率仿真结果。实验结果表明，当EBL-1中Al约为50%时，其LED内量子效率最高。仿真结果表明，随着EBL-1中Al组分增加，空穴更容易从V形坑侧壁注入至更深的量子阱有源区中，使空穴在多量子阱有源区中的分布更为均匀，能够有效提升内量子效率。然而，EBL-1中Al组分过高，会导致EBL-1的晶体质量降低并影响后续p型GaN晶体质量，使空穴浓度下降，导致内量子效率急剧下降。综上所述，EBL-1中Al组分约为50%最有利于GaN基黄光LED内量子效率的提高。