黃 永，李培咸，白俊春，王曉波

(1.西安電子科技大學 寬禁帶半導體重點實驗室，陜西 西安 710071;2.西安中為光電科技有限公司，陜西 西安 710071)

近年來，人們在提高GaN 基發(fā)光二極管(LED)的效率上做了大量研究工作。隨著LED 發(fā)光效率的提高，LED 已被廣泛應用于背光照明，汽車頭燈和日常照明等領域［1］。為迎合高亮度光源需求，需設計出高光電轉換比的LED，由此引入如何提高LED 發(fā)光效率的問題。限制LED 發(fā)光效率的原因很多，有源層中的載流子溢出到p 層是其主要原因之一［1－3］。通過在有源層和p 層間插入p－AlGaN 電子阻擋層(EBL)來抑制電子的溢出是一種解決辦法［1］。

要獲得足夠低的電子溢出比，p－AlGaN－EBL 必須擁有夠高的勢壘。當AlGaN 的Al 組分確定時，由AlGaN 和GaN 組成的異質結的導帶帶階是一定的［4］，隨著勢壘材料AlGaN 的Al 組分的增加，AlGaN/GaN 異質結的導帶帶階會增加。p－AlGaN－EBL 和緊跟著的p 層所形成的異質結的導帶帶階，是p－AlGaN－EBL的勢壘高度的一部分，所以可以通過增加p－AlGaNEBL 的Al 組分來增加其勢壘高度，以獲得足夠低的電子溢出比。Hideki Hirayama［5－7］的團隊已經(jīng)嘗試使用AlN 或高Al 組分(Al 組分＞95%)的p－AlGaN層作為EBL。但即便p－AlGaN－EBL 有如此高的Al 組分，其勢壘高度依然不能滿足該團隊抑制電子溢出的需求。而且就目前技術水平而言，Al 組分越高，結晶質量越差。在高Al 組分的AlGaN 中摻入雜質，又會更加惡化結晶質量。眾所周知，EBL 對電子溢出的抑制能力隨著其結晶質量的變差而減弱，所以一味追求高Al 組分的p－AlGaN－EBL 不能有效解決有源層電子溢出的問題。

上述材料限制被認為可以通過增加EBL 的有效勢壘高度來解決，辦法是引入多量子勢壘電子阻擋層(MQB－EBLs)——即在有源層和p 層間插入多個p－AlGaN電子阻擋層(EBL)，EBL 之間為p－GaN，如圖1 所示。Iga 等人［2］認為MQB 能引起電子波函數(shù)的多反射效應。若不考慮隧穿效應，那么該效應在能帶理論上的表現(xiàn)如下:電子要越過單個AlGaN－EBL，其所處能級需大于能級EEBL，而電子要越過多個同Al 組分的AlGaN－EBL 組成MQB－EBLs，其所處能級需大于能級Eeff。由Iga 等人理論計算出Eeff＞EEBL，并定義為Eeff對應的勢壘高度為有效勢壘高度。該理論被Kishino 等人［8］在1991 年用GaInP/AlInP LDs 實驗證明。近幾年，已經(jīng)有從實驗［9］和仿真［10］上報道MQB能大幅提高內(nèi)量子效率(IQE)，進而大幅提高LED 的光輸出功率(LOP)。

圖1 MQB－EBLs 在外延結構中所處位置

已有團隊報道［3］，EBL 的厚度是影響電子溢出比的一個關鍵因素，對電子溢出的抑制能力差。所以，足夠厚的EBL 被認為是必須的，MQB－EBLs 也才能有效地抑制電子的溢出?？紤]到空穴的遷移實際是大量電子的遷移，如上文所述，MQB－EBLs 對電子有反射效應，那么MQB－EBLs 對空穴的遷移也存在一定阻礙作用。這是不好的影響，原因是空穴越難注入有源層中，LED 發(fā)光效率越低。由于III 族－氮化物半導體的自身特性，AlGaN/GaN 的異質結的導帶帶階為兩種材料禁帶差值的0.65，而價帶帶階為其0.25［7］。顯而易見，這種材料做出的EBL 對電子的阻礙效果比對空穴的大很多。

如何能最大限度利用MQB－EBLs 抑制電子的溢出，同時減少對空穴注入的阻礙，是本文的核心。MQBEBLs 在結構上與超晶格(SLs)相似，MQB－EBLs 的每個EBL 可等效為SLs 的勢壘層，而EBL 之間的層為量子阱層。本文通過借用SLs 模型來研究不同量子阱和勢壘層厚度的MQB－EBLs 對InGaN UV LED 效率的影響，來優(yōu)化MQB－EBLs 的量子阱和勢壘層厚度，目前少有相關報道。

1 實驗參數(shù)

實驗中，一共在藍寶石襯底上制造了4 個InGaN UV LED 樣品，如表1 所示。樣品所使用的芯片除了MQB－EBLs 層有差異，其他層相同。實驗使用型號為Cruis I 的MOCVD 進行外延生長，首先在藍寶石襯底上依次外延GaN 基的成核層，GaN 基的緩沖層和2 000 nm的n－GaN 層。之后開始生長周期厚度為15 nm，In 組分約為7.4%的InGaN/GaN 有源層。在有源層與p－GaN 層之間，插入MQB－EBLs。樣品1和樣品2 的MQB－EBLs 勢壘層與量子阱層等厚，分別為6 nm 和3 nm。樣品3 的量子阱層的厚度縮減到2 nm而勢壘層與樣品2 相同，為3 nm。樣品4 的量子阱層的厚度與樣品3 相同，為2 nm，而勢壘層縮減為1 nm。另外，MQB－EBLs 的各EBL 的Al 組分為15%，EBL 的個數(shù)為10 個。之后依次為200 nm 的p－GaN 層厚和ITO 層。本文所制樣品蒸鍍的是Ni/Au 電極。表1 同時還列出了外延片中GaN 的(002)和(102)搖擺曲線的半高寬(FWHM)。XRD 搖擺曲線的測試設備為Panalytical X'pertpro。

表1 EBL 參數(shù)及外延片中GaN 的(002)和(102)搖擺曲線的半高寬(FWHM)

2 結果及分析

由于MQB－EBLs 和SLs 在結構上相似，所以本文基于Waldron 的工作［11］，借用其SLs 垂直電導模型分析MQB－EBLs 的量子阱和勢壘層厚度對LED 效率的影響。Waldron 認為SLs 中電子的垂直電導公式為

考慮到價帶頂?shù)目昭傻刃閹д姾珊驼行з|量的粒子，而導帶底的電子是帶負電荷和正有效質量的粒子，所以可以繼續(xù)沿用上式分析MQB－EBLs對空穴的阻礙。由Kozodoy 等人［12－13］的報道可知，當超晶格的量子阱層和勢壘層的厚度都分別由6 nm 減小到3 nm 時，空穴濃度變化不足5%。所以，本文假設樣品1、2 和3 的MQB－EBLs 的空穴濃度相同。

在維明LED－617 上，對實驗樣品進行了光電性能的測試，設備使用的是UV－100 測試探頭。LED 樣品在20 mA 電流下的正向電壓Vf和紫外光輸出功率(LOP)的測試結果如圖2 所示。4 個樣品的峰值波長都為387 nm。

對比樣品1 和樣品2 的測試結果表明，當量子阱和勢壘層的厚度都減小到3 nm 時，Vf減小，LOP 增大。當MQB－EBLs 的量子阱和勢壘層厚度一樣時，簡化式(1)可知垂直電導與量子阱層的厚度的冪指數(shù)成反比，即量子阱(勢壘)層越窄，垂直電導越好。Vf的減小被認為是由于垂直電導的增加直接導致。認為MQB－EBLs 的量子阱層(勢壘層)的厚度由6 nm 減小到3 nm 時，電子溢出比并沒有過多增加，然而空穴的電導得到加強，所以LOP 上升。

圖2 樣品的Vf 變化以及LOP 變化曲線

對比圖2 中的樣品2 和樣品3 的測試結果，當量子阱層的厚度減小到2 nm 時，LOP 提升到8.47mW。認為也可由式(1)解釋這個變化。當量子阱厚和勢壘厚都很小時，式(1)中的LQW－LB≈0。簡化后可知，量子阱層的厚度以及厚度的冪指數(shù)的乘積與垂直電導成反比。相比樣品2，樣品3 的量子阱層的厚度更薄，所以導致其空穴的電導增加，然而電子溢出比并沒有增加太多，進而提高了LOP。顯然，當量子阱的厚度不斷減小趨于0 時，整個MQB－EBLs 就變成了單個EBL，單層的EBL 沒有MQB 反射效應，所以對電子溢出的抑制作用又會減弱。

進一步減小勢壘厚度所制備的樣品4 的測試結果表明，雖然樣品4 的空穴的電導增加，直接表現(xiàn)為Vf下降，但是LED 的LOP 也降低了，如圖2 所示。這里LOP 的下降被認為主要是由于MQB－EBLs 抑制電子溢出的能力大幅減弱所致，而該能力的下降是因為單個的EBL 過薄。Lee［3］等人報道，當EBL 厚度約減小到1 nm 時，電子溢出比達28%，而當EBL 厚度為5 nm時電子溢出比僅為6.5%。相比之前的幾個樣品，更多的電子從樣品4 的有源層溢出到其MQB－EBLs 的量子阱層或者之后的p－GaN 層，使得部分電子與空穴在p－GaN 層產(chǎn)生復合，引起LOP 的降低。同時，由于樣品4 的MQB－EBLs 勢壘厚度小，空穴更易于以隧穿的方式穿越勢壘，使得MQB－EBLs 層空穴的縱向遷移率升高，進而使得器件工作電壓降低。

3 結束語

本文研究了不同量子阱和勢壘層厚度的多量子勢壘電子阻擋層UV InGaN LED 的效率的影響。發(fā)現(xiàn)MQB－EBLs 的量子阱層的厚度為2 nm，勢壘厚度為3 nm時，LED 能獲得最大的光輸出功率，LOP=8.47 mW。過薄的量子阱和勢壘層厚度，會導致MQBEBLs 抑制電子溢出的能力大幅減弱，使更多的電子進入到p－GaN 與空穴復合，因此能進入到有源層進行有效輻射復合的空穴減少，進而使得LED 的LOP 下降。量子阱和勢壘層厚度過厚的MQB－EBLs 雖然有效抑制了有源層電子的溢出，但是其對空穴注入的阻礙效果變得顯著，也會使得空穴難以進入有源層進行有效復合，進而使LED 的LOP 下降。此外，當MQB－EBLs 的量子阱和勢壘層厚度增厚時，該層垂直電導減小，直接導致LED 在20 mA 下工作的正向電壓Vf上升。

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