嚴啟榮，章 勇

（1. 廣東省理工職業(yè)技術學校，廣州 510500；2. 華南師范大學光電子材料與技術研究所，廣州 510631）

1 引言

近年來，由于氮化物白光發(fā)光二極管（LED）具有體積小、壽命長、高效節(jié)能等優(yōu)點，因此受到了極大的關注和發(fā)展。它被譽為繼白熾燈、熒光燈、氣體放電燈之后的第四代照明光源[1,2]。隨著白光LED技術的不斷發(fā)展，使得LED光源在照明領域中對顯色指數（CRI）的要求越來越高，特別是室內照明，對顯色性要求更高，但是高顯色指數的白光LED技術依然存在不足，使之成為制約白光LED作為照明光源的首要障礙。歐美等發(fā)達國家已經對LED照明燈具的顯色性制定了嚴格的標準，而中國的LED照明設計標準中，也規(guī)定所有辦公室和賓館飯店LED燈的顯色指數必須在80以上?，F在市場上廣泛銷售的白光LED是藍光芯片激發(fā)YAG:Ce熒光粉產生黃光與部分沒有吸收的藍光耦合成白光發(fā)射[3]，在高色溫情況下，光效和顯色指數較高，但是在低色溫下，顯色指數就不太理想。特別是在色溫低于5 500 K時，顯色指數一般低于70。目前，實現高顯色性的白光LED封裝技術有四種：（1）RGB三基色芯片混色法[4]；（2）近紫外LED芯片激發(fā)RGB三色熒光粉[5]；（3）藍光LED芯片激發(fā)RG熒光粉[6]；（4）紅光LED補償法等[7]。但是，它們面臨著無機熒光粉光致轉換效率低、混色不均勻或芯片驅動復雜和顯色性差等缺點[8,9]。最近，Mirhosseini等人通過模擬結果顯示基于雙藍光波長芯片激發(fā)YAG:Ce熒光粉能夠在保持流明效率的同時得到高顯色指數的白光LED[10]。本文采用混合多量子阱結構的GaN基雙藍光波長芯片激發(fā)YAG:Ce熒光粉實現了高顯色性的白光LED[11~13]。

由于GaN基材料空穴有效質量（1.1 m0）高于電子的有效質量（0.2 m0），因此，電子就更容易穿越活性層進入活性層頂部的量子阱層，甚至溢流出有源層進入p-GaN層，相反，空穴就比較難達到活性層靠近n-GaN側的量子阱，這樣電子空穴在活性層中分布非常不均勻，導致電子空穴復合發(fā)光發(fā)生在靠近p-GaN側的幾個量子阱內，David等人的光譜測量數據顯示GaN基多量子阱藍光LED電子空穴的復合區(qū)主要集中在靠近p-GaN側的量子阱內[14]。為了提高載流子在活性區(qū)中的均勻分布，科學家們提出了各種方法，譬如：去掉p-AlGaN層并在活性層底部插入n-AlGaN層[15]，在量子阱中引入一層薄的應力補償型AlGaN層[16]。

本文使用APSYS（Advanced Physical Models of Semiconductor Devices）[17]軟件對器件進行模擬分析，通過研究不同活性層結構的雙藍光波長LED的能帶圖、載流子濃度分布圖和發(fā)射光譜，進一步探索實現光譜穩(wěn)定的雙藍光波長LED芯片的設計方法。

2 雙藍光波長LED結構

在本實驗中，雙藍光波長LED的結構依次為2 μm的n-GaN層（摻雜濃度為4×1018cm-3）、若干個In0.18Ga0.82N/GaN量子阱和若干個In0.12Ga0.88N/GaN量子阱、15 nm的p-Al0.15Ga0.85N電子阻擋層（摻雜濃度5×1017cm-3）以及200 nm厚的p-GaN層（摻雜濃度5×1017cm-3）。所有量子阱的阱層和壘層厚度分別為3 nm和10 nm。

以下討論的五種雙藍光波長LED活性層結構，如表1所示。結構A：混合多量子阱的活性層依次為三個周期的In0.18Ga0.82N/GaN量子阱和三個周期的In0.12Ga0.88N/GaN量子阱。結構B：活性層依次為兩個周期的In0.18Ga0.82N/GaN量子阱和三個周期的In0.12Ga0.88N/GaN量子阱。結構C：活性層依次為三個周期的In0.18Ga0.82N/GaN量子阱和兩個周期的In0.12Ga0.88N/GaN量子阱。結構D：活性層依次為兩個周期的In0.18Ga0.82N/GaN量子阱和兩個周期的In0.12Ga0.88N/GaN量子阱。結構E：活性層為兩個周期交叉分布的In0.18Ga0.82N/GaN量子阱和In0.12Ga0.88N/GaN量子阱。

表1 五種雙藍光LED活性層結構圖

3 結果與討論

不同結構的雙藍光LED都有強度不一的雙藍光發(fā)射峰，峰值分別為440 nm和470 nm，是分別來自In0.12Ga0.88N/GaN量子阱和In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的發(fā)射。

3.1 五種雙藍光LED活性層結構

3.1.1 結構A

圖1 結構A

圖1（a）和（b）分別表示結構A在20 mA時的能帶圖、準費米能級分布圖、載流子的分布情況以及發(fā)射光譜。大部分電子和空穴都聚集在靠近p-GaN的那個量子阱，而靠近n-GaN的量子阱的電子和空穴濃度都非常低。特別是第二、第四個量子阱（由n區(qū)到p區(qū)）的電子和空穴濃度幾乎為零。因此，由圖1（b）可知，In0.12Ga0.88N/GaN量子阱發(fā)出的藍紫光峰的峰值遠遠大于In0.18Ga0.82N/GaN量子阱發(fā)出的藍光峰的峰值。

3.1.2 結構B

圖2（a）和（b）分別表示結構B在20 mA時的能帶圖、準費米能級分布圖、載流子的分布情況以及發(fā)射光譜。相對于結構A，結構B減少了一個In0.18Ga0.82N/GaN量子阱，這對雙藍光LED的載流子濃度分布并沒太大的影響。如圖2（a）所示，大部分電子和空穴依然聚集在最靠近p-GaN的那個量子阱，而靠近n-GaN的量子阱的電子和空穴濃度非常低。特別是第三個量子阱（由n區(qū)到p區(qū)）的電子和空穴濃度幾乎為零。因此，由圖2（b）可知，In0.12Ga0.88N/GaN量子阱發(fā)出的藍紫光峰的峰值也遠遠大于In0.18Ga0.82N/GaN量子阱發(fā)出的藍光峰的峰值。

圖2 結構B

3.1.3 結構C

圖3（a）和（b）分別表示結構C在20 mA時的能帶圖、準費米能級分布圖、載流子的分布情況以及發(fā)射光譜。相對于結構A，結構C減少了一個In0.12Ga0.88N/GaN量子阱，也就是In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的個數比In0.12Ga0.88N/GaN量子阱的多，大部分電子和空穴依然聚集在最靠近p-GaN的那個量子阱。但是，由圖3（a）可發(fā)現，活性區(qū)內In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的電子和空穴濃度比結構A和結構B的都有所增加，特別是活性層內中間的那個量子阱。因此，In0.18Ga0.82N/GaN量子阱發(fā)出的藍光峰的峰值有所增強，但依然比不上In0.12Ga0.88N/GaN量子阱發(fā)出的藍紫光峰，如圖3（b）所示。

圖3 結構C

3.1.4 結構D

圖4（a）和（b）分別表示結構D在20 mA時的能帶圖、準費米能級分布圖、載流子的分布情況以及發(fā)射光譜。此結構的藍紫光量子阱和藍光量子阱都分別比結構A減少了一個，大部分電子和空穴依然聚集在最靠近p-GaN的那個量子阱，但是In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的載流子濃度明顯得到了提高。因此，由圖4（b）所示，相對于結構A、B、C，In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的藍光峰得到了改善，但In0.12Ga0.88N/GaN量子阱發(fā)出的藍紫光峰并沒有明顯減弱。

3.1.5 結構E

圖5（a）和（b）分別表示結構E在20 mA時的能帶圖、準費米能級分布圖、載流子的分布情況以及發(fā)射光譜。

前四種結構的大部分電子和空穴都聚集在最靠近p-GaN的那個In0.12Ga0.88N/GaN量子阱，而且發(fā)射光譜的藍紫光峰的峰值都遠大于藍光峰。結構E的效果卻不一致，如圖5（a）所示，大部分的載流子都聚集在最靠近p-GaN的那個In0.18Ga0.82N/GaN量子阱，只有小部分的載流子分布在靠近p-GaN的那個In0.12Ga0.88N/GaN量子阱，尤其是空穴。因此，藍光峰的峰值遠遠大于藍紫光峰，如圖5（b）所示。這是由于In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的勢壘深度大于In0.12Ga0.88N/GaN量子阱，而且In0.18Ga0.82N/GaN量子阱靠近了p-GaN層，大部分載流子都往最低勢壘阱運動。

圖4 結構D

圖5 結構E

通過以上五種結構的分析，可知電子和空穴在各量子阱中分布不均衡，不能實現雙藍光均衡輻射，并存在電子過剩的現象。結構A、B、C的部分量子阱的載流子濃度幾乎為零，對發(fā)射光譜幾乎沒有貢獻，大部分載流子都聚集在最靠近p-GaN的那一個量子阱。在結構E中，即使最靠近p-GaN的那個量子阱為In0.12Ga0.88N/GaN，但是當In0.18Ga0.82N/GaN量子阱越靠近p-GaN，藍光峰的峰值就會增大，反之，其峰值就減弱。由此而知，只依靠改變活性層中的In0.12Ga0.88N/GaN和In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的數量或位置，難以獲得雙藍光均衡發(fā)射的光譜。

3.2 實現雙藍光平衡輻射的有源層結構

基于以上五種結構的分析，在結構D的基礎上，改進活性層的結構，實現雙藍光平衡輻射。

3.2.1 n-AlGaN作為電子阻擋層的雙藍光活性層結構

去掉p-AlGaN電子阻擋層，而在活性層與n-GaN之間引入15 nm的n-AlGaN層（摻雜濃度為1×1018cm-3），其他與結構D一樣。

圖6 具有n-AlGaN層的雙藍光波長LED

圖6（a）和（b）分別表示具有n-AlGaN層的雙藍光波長LED在20 mA時的能帶圖、準費米能級分布圖、載流子的分布情況以及發(fā)射光譜。隨著p-AlGaN的移去與n-AlGaN層的引入使混合多量子阱活性層中所有量子阱電子空穴分布變得均衡，而且還使得高In組分量子阱的總輻射復合率提高到與低In組分量子阱相當。對于傳統(tǒng)具有p-AlGaN層的混合量子阱的LED，由于p-AlGaN的存在雖然起到阻擋電子溢出的作用，同時也阻擋了空穴從p-GaN層注入活性層，所以從圖4可以看出，具有p-AlGaN層LED的所有量子阱層的空穴濃度明顯低于電子的濃度，這樣就導致電子空穴在各個量子阱中不能平衡輻射，存在電子過剩的現象。隨著p-AlGaN層的移去和n-AlGaN層的引入有效地提高了空穴的注入能力，從圖6（a）與（b）可以看出，n-AlGaN層能有效改善電子空穴在混合量子阱活性區(qū)中的分布，從而實現雙藍光平衡輻射。

3.2.2 應力補償型InGaN-AlGaN/GaN量子阱的雙藍光有源層結構

圖7 具有AlGaN應力補償層的雙藍光波長LED

圖7（a）和（b）分別表示具有AlGaN應力補償層的雙藍光波長LED在20 mA時的能帶圖、準費米能級分布圖、載流子的分布情況以及發(fā)射光譜。與結構D相比，本結構的藍光阱引入1 nm的應力補償層Al0.12Ga0.88N，而藍紫光阱引入了1 nm的應力補償層Al0.21Ga0.79N。即藍光量子阱活性區(qū)使用In0.18Ga0.82NAl0.12Ga0.88N/GaN量子阱結構，而藍紫光量子阱活性區(qū)使用In0.12Ga0.88N-Al0.21Ga0.79N/GaN量子阱結構。這種應力補償型InGaN-AlGaN/GaN結構使InGaN量子阱的壓力得到張力層AlGaN的補償，形成了一種應力平衡結構，從而減少了應變能和應力失配位錯密度。由于這種應力補償型量子阱能夠有效地限制載流子，可以改善載流子在有源區(qū)內的分布，使得載流子濃度的分布在藍紫光量子阱和藍光量子阱內都比較均衡，特別是空穴濃度的分布，從而獲得雙藍光平衡輻射。

4 結論

通過分析比較不同活性層結構的雙藍光波長LED的能帶圖、準費米能級分布圖、載流子濃度分布圖以及發(fā)射光譜，結果表明只依靠改變活性層中的In0.12Ga0.88N/GaN和In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的數量或位置，難以使得電子空穴在混合多量子阱活性區(qū)中分布均衡，實現雙藍光均衡輻射。但是，隨著p-AlGaN層的移去和n-AlGaN層的引入，或在藍光阱引入應力補償層AlGaN，能有效地實現雙藍光平衡輻射。

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