具有卓越光输出效率的GaN基LED模拟研究

黄 晶，陈 鹏

(上饶职业技术学院，江西 上饶 334109)

近年来，由于GaN基LED在标识牌、背光和照明领域的应用不断加强，至今几乎完全取代传统照明灯。为节省更多电能，提高LED的电能转换效率，研究者做了较多研究。为减少电子泄漏，设计了各种不同结构EBL的LED，如传统的AlGaN EBL[1]。随后，科研人员又设计了AlGaN/GaN超晶格EBL、InAlGaN/GaN超晶格EBL、InAlN/GaN超晶格EBL。这些结构的电子泄漏较小，但仍存在泄漏。为改善空穴注入并减少由晶格失配引起的极化效应，一些小组设计了不同的势垒结构，以实现高空穴注入和低极化效果。例如，梯度渐变的InGaN势垒，这种结构可以减少阱之间的极化效应，导致轻微弯曲，还将减少p型一端电子的积累。另一小组设计了InGaN/GaN超晶格势垒及渐变的铟成分阱和势垒，这种结构可进一步减小阱和势垒之间的极化效应，使有源区中的载流子浓度分布更均匀[2]。设计使用锯齿形的AlGaN EBL和齿形的InGaN/GaN势垒来进一步提升GaN基LED的光输出功率。

1 结构设计和参数设置

利用物理仿真软件进行分析，使用传统LED结构作为参考，该结构模拟生长在C面的蓝宝石衬底上[3]，在蓝宝石衬底上生长未掺杂GaN层和n型GaN层：Si(5×1018cm-3)。有源区由5个2 nm厚的In0.15Ga0.85N量子阱(QW)组成，夹在6个10 nm厚的n型GaN势垒层之间。在有源区顶部生长20 nm厚的p-Al0.15Ga0.85N EBL：Mg(4×1017cm-3)和100 nm厚的p型GaN覆盖层：Mg(5×1017cm-3)。相比之下，具有特殊设计的锯齿形AlyGa1-yN EBL的结构A，其结构基本与传统结构相同，不同之处在于AlGaN EBL，其由3层梯度渐变的AlyGa1-yN 组成，见图1。对于具有特殊设计的齿形InGaN/GaN势垒的结构B，除量子阱的中间势垒层外，其结构基本与结构A相同。顶部势垒和底部势垒是10 nm厚的In0.08Ga0.92N势垒，但中间的4个势垒均由2个2 nm厚的铟成分渐变的InxGa1-xN势垒组成，中间夹有3个2 nm厚的In0.08Ga0.92N势垒，铟组分渐变的InxGa1-xN势垒的铟含量从8%逐渐减少到0%，然后再稳定增加到8%。这3种LED的结构如图1所示。

图1 LED外延结构示意图

2 结果与分析

图2显示了3个LED结构在350 A/cm2的仿真能带图。在传统结构中，有效的电子阻挡势垒偏低,为268 meV，有效空穴势垒偏高，达到298 meV。因此，传统结构伴有严重的电子泄漏和低空穴注入，这将大大降低GaN基LED的光学性能。结构A，当使用锯齿形的EBL时，有效电子势垒提升到439 meV，有效空穴势垒降低到241 meV。结构B同时使用锯齿形EBL和齿形InGaN/GaN势垒，其有效的电子阻挡势垒低于结构A，为393 meV，有效的空穴势垒高于结构B，为271 meV。另一方面，结构B的齿形InGaN/GaN势垒对电子和空穴在各个量子阱中的限制作用加强，该结构的发光效率将达到最高。

图2 电流密度在350 A/cm2下的传统结构、结构A和结构B的能带图

图3展示了350 A/cm2下的电子和空穴在各个量子阱的辐射复合率分布，为了美观，每种不同的结构在作图时有一个0.002 μm的距离错位，实际是同一位置。3种结构中，由于结构A的电子势垒最高，空穴势垒最低，每一个量子阱的辐射复合率都高于传统结构。另外，结构B除了具有结构A的优势外，其齿形InGaN/GaN势垒还更好地限制了载流子在各个量子阱中的分布，因此，结构B各个量子阱中都表现出较高的辐射复合率。图4展示了3种不同结构的GaN基LED在不同电流密度下的光输出功率，在350 A/cm2电流密度下，结构A的光输出功率是传统结构的1.5倍，结构B的光输出功率是传统结构的3倍，进一步验证了结构B设计的优势。

图3 在350 A/cm2下3种结构辐射复合率分布

图4 3种结构的光输出功率与注入电流密度的关系

3 结论

当GaN基LED使用锯齿形EBL和齿形InGaN/GaN势垒时，将带来高的空穴注入效率和低的电子泄漏效应，且载流子被限制在有源区内让其充分参与辐射复合。该结构的GaN基 LED内部辐射复合率和光输出功率显著提高，说明了具有锯齿形AlGaN EBL和齿形InGaN/GaN势垒的GaN基LED具有卓越的光输出表现。