p-GaN插入层调控InGaN基黄绿双波长LED发光光谱

魏铎垒，张建立，刘军林，王小兰，吴小明，郑畅达，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)

1 引 言

近年来，Ⅲ-Ⅴ族氮化物LED因其体积小、高效节能及使用寿命长等优点引起众多研究学者的广泛关注，具有巨大的商业价值，被广泛应用于背光照明、显示、阵列投影和道路照明等领域[1-6]。随着外延和芯片技术的迅速发展，市场对于照明的要求已经由高亮度、高光效逐渐转向更加节能、健康、智慧的人因照明模式。传统白光照明方式主要是通过蓝光LED芯片与荧光粉配合形成白光，虽然其光电转换效率远远超过白炽灯和日光灯，但是存在显色指数、色温和光效之间难以协调发展的问题，且短波长蓝光占比较大，容易出现视觉疲劳，因此这种照明方式目前已经受到越来越多的挑战[7-10]。基于全半导体电致发光的多基色LED混合白光照明模式由于其独有的潜力已经受到科研人员广泛的关注。InGaN基LED发展迅速，目前蓝光LED的外量子效率已经达到80%以上[11]，绿光 LED 也已经超过 50%[12]，黄光LED的最高效率也已经超过30%[13]。InGaN基LED效率的不断提升促进了无荧光粉型多基色LED混光型白光照明的发展，然而多基色混合LED存在混光不均匀，生产成本比较昂贵及驱动电路较为复杂等问题[14]。为了解决上述多基色混光型LED照明存在的问题，一种可行的解决方案是提供单芯片多色光LED芯片。因此，研究高亮度、高效率的InGaN基黄绿双波长LED不仅可以简化电路、解决混光不均匀、大幅提升光品质，而且还能够填补“黄绿光鸿沟”[13-16]，具有一定的实际意义。因此，有研究人员通过生长复合量子阱对双波长LED的光电性能进行了研究[17-20]。Liu 等[19]通过减小蓝绿两套量子阱之间量子垒的厚度来调控载流子分布，将集中分布在更靠近p型层的空穴引导注入靠近n型层的绿光量子阱中，实现了20 mA下蓝、绿光同时发射。Hussein等[20]通过在蓝、绿和红光三套量子阱之间生长ICBL(Spacer carrier bocking layers)来调控载流子在有源区的分布，将载流子限制在不同的量子阱内。关于调控复合量子阱内载流子分布的研究很多，然而对于黄绿双波长LED，有关研究非常少，因此本文通过改变电子阻挡层前p-GaN插入层的厚度，研究了p-GaN插入层的厚度变化对黄绿双波长LED载流子分布及外量子效率的影响，通过LED变温电致发光测试系统(EL和VTEL)对LED光电性能进行了表征。本文利用变温EL光谱研究了p-GaN插入层厚度对黄绿双波长LED有源区载流子分布的影响规律，对黄绿双波长LED的进一步研究以及将来实现单芯片多色光具有一定的指导作用。

2 实 验

本实验引入p-GaN插入层调控空穴注入深度，通过 MOCVD外延生长系统在图形化 Si(111)面上生长InGaN基黄光LED外延薄膜材料，Ga源、In源和N源分别为三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)。外延层的结构如图1所示。由下至上依次为硅(111)衬底、厚度为100 nm的AlN缓冲层、厚度为3 μm的Si掺杂的n型GaN层、厚度为5 nm的In0.1Ga0.9N与厚度为2 nm的GaN组成的周期数为32的InGaN/GaN超晶格、厚度为2.5 nm的In0.3Ga0.7N与厚度为11 nm的GaN组成的周期数为7的InGaN/GaN黄光量子阱、厚度为2.75 nm的In0.25Ga0.75N与厚度为11 nm的GaN组成的InGaN/GaN绿光量子阱、厚度变化的p-GaN插入层、厚度为10 nm的p-Al0.2Ga0.8N电子阻挡层 (EBL)、厚度为70 nm的Mg掺杂1E20/cm3的p型GaN层。其中p-GaN插入层的厚度分别为0，10，30 nm，掺 Mg量均为5E19/cm3，3 个样品编号分别为A、B和C。样品是通过衬底剥离工艺被制作成垂直结构的薄膜型芯片，出光面为n-GaN面。采用Instrument Systems公司生产的型号为CAS140CT的光谱仪和型号为ISP250-211的积分球，Keithley公司生产的型号为Keithley2635A的恒流源及MMR公司的控温系统，测试分析器件的电致发光性能。

图1 三组样品的外延结构示意图Fig.1 Schematic epitaxial structure of three samples

3 结果与讨论

为了研究器件的光学特性与InGaN/GaN多量子阱有源区内载流子随注入电流密度增加其辐射复合的变化规律以及载流子输运之间的关系，对三组样品的EL光谱进行整理和分析。图2(a)、(b)和(c)依次为100 K时样品A、B和C在不同注入电流密度下的归一化EL光谱曲线图，能够明显观察到三组样品都具有两套发光峰，分别为波长是530 nm左右的绿光峰以及560 nm左右的黄光峰，且随着电流密度的增加，三组样品表现出不同的变化规律。图2(d)为100 K下三组样品的绿光峰与黄光峰的相对强度的比值随电流密度的变化曲线。

图2(a)、(d)表明样品A随着电流密度的增加，其绿光峰和黄光峰的比值持续增大，说明有更多的载流子在末阱的位置发生辐射复合，主要原因可能是随着电流密度的增加，电子数量比空穴增加的更明显，导致在末阱附近电子数量明显多于空穴，且电子质量比空穴轻，迁移率更高，所以空穴在更靠近p型层的位置和电子发生辐射复合。当电流密度从0.07 A·cm-2增加到10 A·cm-2，样品A的绿光峰与黄光峰的比值从1.45%增大到69.6%，黄光峰依旧为主要发光峰;当电流密度为20 A·cm-2，比值增大到131.73%，说明绿光峰的强度已经超过黄光峰，出现反转成为了主要发光峰;当电流密度从20 A·cm-2增加到50 A·cm-2，绿光峰一直为主要发光峰。此外，当注入电流密度为0.07 A·cm-2时，绿光峰值波长为539 nm，当电流密度增加到50 A·cm-2时，绿光峰值波长为506 nm，随着电流密度的增加，其绿光峰蓝移了33 nm。图2(b)、(d)表明样品B随着电流密度从0.07 A·cm-2增加到20 A·cm-2，绿光峰与黄光峰的比值从1%增大到5.25%，原因与样品A一样，不再赘述;当电流密度从20 A·cm-2增加到50 A·cm-2，比值却从5.25%减小到2.89%。样品C的变化规律和样品B类似，随着电流密度的增大，绿光峰与黄光峰的比值先增大后减小，与样品B不同的是，样品C绿光峰与黄光峰的比值开始减小时的电流密度为4 A·cm-2，比样品B的20 A·cm-2提前，可能原因是p-GaN插入层的存在导致EBL对电子的限制能力减弱，且厚度越大，EBL对电子的限制能力就越弱，因此随着电流密度的增大，电子数量明显增加，部分电子泄露到p-GaN插入层，使得载流子在绿光量子阱的辐射复合减少，绿光峰减弱。结合图2(a)、(b)、(c)三幅图可以看出，样品A随着电流密度的增加，其绿光峰蓝移了33 nm，而样品B和C随着电流密度的增大，绿光峰位置漂移很小，可能是因为处于绿光阱和EBL之间的p-GaN插入层起到了一定的缓冲作用，减小了EBL对于绿光阱的应力[21-23]，其次是因为绿光阱前先生长的黄光阱也可以起到缓冲应力的作用，减小了绿光阱所受应力[17]。对比可知，样品A的绿光峰位置发生明显蓝移，可能是EBL对绿光阱的应力较大导致。样品B、C绿光峰漂移减少还有一个可能的原因是绿光量子阱中的载流子填充水平低，发光峰很低就是证据;而样品A绿光峰蓝移大的一个原因就是绿光阱的填充越来越高。

图2 100 K时，样品A(a)、B(b)和C(c)在不同注入电流密度下的归一化光谱曲线及三组样品绿光峰与黄光峰相对强度的比值随电流密度的变化曲线(d)。Fig.2 Normalized EL intensity(a-c)and green/yellow peak(d)of samples A，B and C.

图3(a)、(b)、(c)分别对应三组样品在温度100 K下电流密度依次为10，35，50 A·cm-2的归一化光谱曲线，可以看出样品A在100 K大电流密度下，绿光峰逐渐占据主导位置，且随着电流密度的增大，绿光峰呈现出越来越强的趋势。样品B和样品C在100 K大电流密度下，发光峰依旧以黄光峰为主，而绿光峰的强度随着电流密度的增加呈现出逐渐减小的趋势。造成上述现象的主要原因可能是样品A的绿光阱和EBL距离更近，其EBL对电子可以起到很好的限制作用;而样品B和C的绿光阱与EBL之间的p-GaN插入层导致EBL对电子的限制作用减弱，使电子泄漏到p-GaN插入层，且p-GaN插入层可能由于缺陷较多，很难观察到泄露峰。图3(d)为三组样品的归一化IQE随电流密度变化的曲线，可以发现在大电流密度下，样品A有一个明显的起伏，这是样品A发光峰由黄光峰变化为绿光峰时的现象，与前面样品A的光谱现象一致。

图3 100 K时，三组样品在10(a)，35(b)，50(c)A·cm-2电流密度下的归一化光谱曲线及三组样品的IQE随电流密度的变化曲线(d)。Fig.3 Normalized EL intensity at forward current density of 10(a)，35(b)，50(c)A·cm-2and normalized IQE(d)of samples A，B and C.

图4(a)、(b)、(c)依次对应 A、B、C 三组样品在注入电流密度为5.5 A·cm-2时随温度变化的归一化光谱曲线，可以看出温度由300 K逐步降低到100 K时，三组样品的绿光峰与黄光峰的比值都是越来越大的，原因可能是温度降低时，空穴数量相较于电子数量将会大幅减少，导致空穴在更靠近p型层的位置和电子发生辐射复合发光，更难向深层注入。从图中可以看出，300 K下样品A绿光峰并不明显，而样品B和C在绿光峰位置出现了一定的凸起，相对强度大于样品A，说明p-GaN插入层有助于常温下载流子在绿光量子阱处发生辐射复合;当温度为250 K时，三组样品的绿光峰均比300 K时更加明显，此外样品A的绿光峰相对强度依旧小于样品B和C，规律与300 K现象类似;当温度为200 K时，三组样品都开始出现了比较明显的绿光峰，然而相互之间差异不大，与300 K和250 K现象存在差异;当温度降到150 K时，三组样品的绿光峰更加明显;随着温度进一步降低到100 K，样品A的绿光峰相对强度明显大于样品B和C，可能原因是样品B和C的EBL对电子的限制能力减弱，导致电子泄漏到了p-GaN插入层，不利于载流子在绿光量子阱处发生辐射复合。

图4 5.5 A·cm电流密度下，A(a)、B(b)和C(c)三组样品随温度变化的光谱曲线。Normalized EL intensity of samples A( a) ，B( b) and C(c) at a forward current density 5. 5 A·cm-2.-2

图5是A、B和C三组样品在室温测试条件下的外量子效率 (EQE)随电流密度变化的曲线，可以看出A、B和C三组样品的EQE最大值分别为29.9%、29.2%和28.2%，呈现出依次减小的变化趋势。原因可能是空穴主要集中在靠近p型层的位置，而由于p-GaN插入层的Mg浓度相对较低，其厚度越大，将会导致p型层的位置越远离有源区，空穴注入的也就越浅，不能够到达更深层次的黄光量子阱处;其次还可能存在的原因为大注入电流密度下，样品B和C的EBL对电子限制能力减弱导致电子泄露到p-GaN插入层。这两方面原因均不利于载流子的辐射复合，因此三组样品的EQE呈现出了A＞B＞C的规律。

图5 三组样品在室温下测得的外量子效率随电流密度变化的曲线Fig.5 EQE curves of samples A，B and C.

4 结 论

通过MOCVD方法，在硅(111)衬底上生长了InGaN基黄光LED外延材料，研究了电子阻挡层前p-GaN插入层的厚度变化对载流子分布的影响。结果表明，在100 K小电流下，随着电流密度的增加，三组样品的绿光峰越来越强，这是因为随着电流密度的增加，电子较空穴增加更明显，空穴在更靠近p型层的位置和电子发生辐射复合;在大电流下，样品A发光以绿光峰为主归因于其EBL对电子的限制作用更明显，而样品B和C以黄光峰为主，有可能是p-GaN插入层的存在使EBL对电子的限制能力减弱，导致电子泄漏到了p-GaN插入层。三组样品在5.5 A·cm-2电流密度下，随着温度的降低，绿光峰都是越来越强，这归因于温度降低时，空穴数量将大幅减少，导致其只能在更靠近p型层的位置和电子发生辐射复合。A、B和C三组样品的EQE峰值分别为29.9%、29.2%和28.2%，呈现出依次减小的规律，主要原因可能为空穴主要集中在靠近p型层的位置，而由于p-GaN插入层的Mg浓度相对较低，其厚度越大，将可能会导致p型层的位置越远离有源区，空穴注入的也就越浅。综合来看，电子阻挡层前p-GaN插入层可以影响载流子在有源区的分布以及减小器件EL光谱绿光峰的蓝移，在黄绿双波长LED的光谱调控方面具有很好的参考价值。