劉 超，李述體 ，仵樂娟，王海龍

(華南師范大學光電子材料與技術(shù)研究所，廣東廣州510631)

近年來，發(fā)光二極管(LED)的性能得到了顯著的提升，在汽車車燈、戶外照明和背光顯示等領域得到了廣泛的應用. 但是，LED 在大注入電流下的效率衰減問題阻礙其在大功率照明方面的應用. 針對LED 效率衰減問題的機制，眾多研究者提出了不同的解釋，包括載流子泄漏［1－3］、俄歇復合［4］、空穴的不均勻分布［5－6］和位錯導致的載流子泄漏［7］等. 其中，在大電流下電子限制不充分和空穴注入效率過低被認為是導致效率衰減的主要原因［6，8］. 通常傳統(tǒng)LED 結(jié)構(gòu)采用AlGaN 電子阻擋層減少載流子泄漏，但是由于GaN 壘層與AlGaN 電子阻擋層存在較大的晶格失配，在最后一個GaN 壘層與AlGaN 電子阻擋層的界面處會產(chǎn)生較強的極化電場，導致最后一個壘層及電子阻擋層的能帶傾斜，不利于電子的限制及空穴的注入［1，9］. 另外，空穴的有效質(zhì)量較大，遷移率較小，使得空穴從p 型層遷移到發(fā)光多量子阱區(qū)域較為困難. PARK 等［10］研究表明對發(fā)光多量子阱所有的壘層進行均勻的p 型摻雜，能減小極化電場進而減小能帶彎曲，改善電子限制促進空穴注入，提高發(fā)光效率. 本文研究了在壘層p 型總摻雜量相同的情況下，壘層p 型摻雜的分布對LED 性能的影響，表明當所有的p 型摻雜量集中于最后一個壘層時，電子限制和空穴注入效應均可明顯增強.

1 結(jié)構(gòu)與參數(shù)

樣品結(jié)構(gòu)包括2.0 μm 厚的u－GaN 和3.0 μm厚的n－GaN(C(n)=5×1018cm－3)，6個周期的多量子阱結(jié)構(gòu)(每個周期包括6個3 nm 厚的In0.16Ga0.84N量子阱和6個10 nm 的GaN 壘層)，20 nm 厚的p－AlGaN 電子阻擋層，170 nm 厚的p－GaN(C(p)=1 ×1018cm－3). 該器件設計為300 μm× 300 μm 的正方形結(jié)構(gòu). 不同的p 型摻雜分布如圖1 所示. 指定壘層未摻雜的LED 為樣品A(傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)樣品)，樣品B 的所有壘層均為p 型摻雜(每個壘層摻雜量為2 ×1017cm－3)，樣品C 在最后3個壘層進行p 型摻雜(每個壘層摻雜量為4 ×1017cm－3)，樣品D 在最后1個壘層進行p 型摻雜(每個壘層摻雜量為1.2 ×1018cm－3). 樣品B、C、D 的壘層p 型總摻雜量相同，但壘層p 型摻雜的分布不同. 為簡化模擬，工作溫度設定為300 K，光提取效率為0.78. 在模擬中使用的半導體材料的其他參數(shù)參照文獻［11］.

2 結(jié)果與討論

樣品A、B、C、D 的模擬光功率隨注入電流的變化曲線如圖2 所示. 當注入電流較小時，樣品A、B、C、D 的光功率差異較小. 隨注入電流增大，4個樣品光功率差異逐漸增大，在200 mA 下的光功率分別為90、114、122 和167 mW. 樣品A 的光功率小于其余3個樣品. 可見壘層p 型摻雜能有效改善LED的發(fā)光效率. 另外，樣品B、C、D 的發(fā)光效率依次增大，表明對壘層中p 型摻雜的分布的調(diào)整能有效改善LED 在大注入電流下的發(fā)光性能，當所有的p 型 摻雜量集中于最后一個壘層時，發(fā)光效率最佳.

圖1 不同樣品的壘層p 型摻雜量的分布Figure 1 Schematic diagram of p－doping distribution in barriers

圖2 4個樣品的光功率隨電流變化Figure 2 Output power as a function of injection current for the four samples

圖3 所示，極化場引起最后1個GaN 壘層及電子阻擋層的能帶傾斜，減小電子阻擋層對于電子的有效勢壘高度，導致電子泄漏. 對于空穴而言，空穴有效質(zhì)量較大并且遷移率較低，能帶傾斜也會阻礙空穴向發(fā)光多量子阱區(qū)域的注入. 理論模擬顯示，樣品A、B、C、D 中電子的有效勢壘高度分別為192.3、200.6、203.4、238.8 meV. 與此同時，樣品A、B、C、D 中空穴的有效勢壘高度分別為229.0、220.9、218.3、194.9 meV. 可以看出，樣品A 中電子的有效勢壘高度小于其他3個樣品，同時樣品A 中空穴的有效勢壘高度大于其他3個樣品. 表明對壘層進行p 型摻雜能夠改善電子限制和空穴注入情況. 另外，樣品B、C、D 中電子的有效勢壘高度逐漸增大，空穴的有效勢壘高度逐漸減小，表明隨著更多的p 型摻雜量集中于最后1個壘層，電子限制及空穴注入更加有效，主要因為p 型重摻雜有利于屏蔽極化電場，緩解極化電場導致的能帶彎曲［12］. 總之，通過調(diào)整壘層p 型摻雜量的分布能夠有效地改善電子限制及空穴注入，進而有效改善發(fā)光效率.

在4 種結(jié)構(gòu)的載流子濃度分布(圖4)中，電子與空穴分布相似，都集中在靠近p 區(qū)的量子阱中，在最后1個量子阱中電子和空穴大量積累，表明4個樣品的發(fā)光主要集中在靠近p 型的量子阱中. 樣品B、C、D 的最后2個阱中電子和空穴濃度均大于樣品A，這是由于壘層p 型摻雜能夠改善電子限制及空穴注入. 另外，樣品B、C、D 的最后1個阱中電子和空穴濃度依次增大，可解釋為隨著更多的p 型摻雜量集中于最后1個壘層，空穴的有效勢壘高度更小，有利于更有效地注入空穴及限制電子. DAVID等［8］報道了載流子在多量子阱中分布不均勻，只有臨近p 型層的阱參與輻射復合. 所以隨著更多的p型摻雜量集中于最后1個壘層，臨近p 型層的阱中電子及空穴濃度的增加可以解釋發(fā)光效率的增強.

圖5 所示，在200 mA 外加電流情況下，在毗鄰n 端的第1個量子阱中，4 種結(jié)構(gòu)具有相近的電子電流密度，而靠近p 區(qū)的量子阱差異較大. 樣品A 的電子溢出明顯大于其他3個樣品，說明對壘層進行p 型摻雜可以減小電子泄漏. 另外，隨著更多的p 型摻雜量集中于最后1個壘層，電子溢出現(xiàn)象明顯緩解. 主要原因在于電子阻擋層對電子更有效的限制，使更多電子限制在多量子阱區(qū)域參與輻射復合發(fā)光.

圖3 200 mA 下不同樣品的能帶Figure 3 Energy band diagrams of different samples at 200 mA forward current

圖4 200 mA 下電子與空穴的濃度分布Figure 4 Electron and hole concentration distribution at 200 mA forward current

圖5 200 mA 下4個樣品的電子電流分布Figure 5 Electron current density in the four structures at 200 mA forward current

圖6 中，效率衰減量定義為(ηpeak－ η200mA)/ηpeak. 樣品A、B、C、D 的效率衰減量分別為46.0%、32.4%、29.2%和7.6%. 樣品B、C、D 的效率衰減量小于樣品A. 說明對壘層進行p 型摻雜可以改善效率衰減問題. 另外，隨著更多的p 型摻雜量集中于最后1個壘層，效率衰減也得到改善. 其原因是在大電流注入情況下，電子受到更有效的限制，使電子泄漏減少，進而降低電子與p 型層空穴發(fā)生非輻射復合幾率. 因此，發(fā)光效率極大提升.

圖6 4個樣品的內(nèi)量子效率隨電流的變化Figure 6 IQE as a function of current for the four samples

3 結(jié)論

應用APSYS 模擬軟件對不同壘層p 型摻雜量分布的LED 進行了數(shù)值模擬研究. 對光功率、能帶圖、載流子濃度、電子電流分布以及內(nèi)量子效率進行了系統(tǒng)的研究. 結(jié)果表明，當所有的p 型摻雜量集中于最后1個壘層時，光輸出功率增大，泄漏電流降低，內(nèi)量子效率隨電流增加而降低的現(xiàn)象得到緩解.優(yōu)化壘層p 型摻雜量的分布，能提高空穴注入效率，同時有效地將電子限制在InGaN/GaN 多量子阱中，改善了光電特性.

［1］KIM M H，SCHUBERT M F，DAI Q，et al. Origin of efficiency droop in GaN－based light－emitting diodes［J］.Appl Phys Lett，2007，91:183507.

［2］SCHUBERT M F，XU J，KIM J K，et al. Polarizationmatched GaInN/AlGaInN multi－quantum－well light－emitting diodes with reduced efficiency droop［J］. Appl Phys Lett，2008，93:041102.

［3］DING K，ZENG Y P，WEI X C，et al. A wide－narrow well design for understanding the efficiency droop in In-GaN/GaN light－emitting diodes［J］. Appl Phys B:Lasers Opt，2009，97:465－468.

［4］SHEN Y C，MUELLER G O，WATANABE S，et al. Auger recombination in InGaN measured by photoluminescence［J］. Appl Phys Lett，2007，91:141101.

［5］KIM A Y，GO W，STEIGERWALD D A，et al. Performance of high－power AlInGaN light emitting diodes［J］.Phys Status Solidi A，2001，188:15－21.

［6］WANG C H，CHEN J R，CHIU C H，et al. Temperature－ dependent electroluminescence efficiency in blue In-GaN－ GaN light－ emitting diodes with different well widths［J］. IEEE Photon Technol Lett，2010，22:236－238.

［7］BOCHKAREVA N I，VORONENKOV V V，GORBUNOV R I，et al. Defect－related tunneling mechanism of efficiency droop in III－nitride light－emitting diodes［J］. Appl Phys Lett，2010，96:133502.

［8］DAVID A，GRUNDMANN M J，KAEDING J F，et al.Carrier distribution in (0001)InGaN/GaN multiple quantum well light－ emitting diodes［J］. Appl Phys Lett，2008，92:053502.

［9］HAN S H，LEE D Y，LEE S J，et al. Effect of electron blocking layer on efficiency droop in InGaN/GaN multiple quantum well light－emitting diodes［J］. Appl Phys Lett，2009，94:231123.

［10］HAN S H，CHO C Y，LEE S J，et al. Effect of Mg doping in the barrier of InGaN/GaN multiple quantum well on optical power of light－emitting diodes［J］. Appl Phys Lett，2010，96:051113.

［11］VURGAFTMAN I，MEYER J R. Band parameters for nitrogen－ containing semiconductors［J］. J Appl Phys，2003，94:3675.

［12］NEUFELD C J，CRUZ S C，F(xiàn)ARRELL R M，et al.Effect of doping and polarization on carrier collection in InGaN quantum well solar cells［J］. Appl Phys Lett，2011，98:243507.