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        GaN基LED光電器件的壘層研究與設(shè)計(jì)*

        2015-02-28 17:37:06姚惠林宋麗君陳朝輝
        電子器件 2015年6期
        關(guān)鍵詞:阻擋層載流子空穴

        姚惠林,宋麗君,路 綱,陳朝輝,王 波

        (洛陽理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,洛陽 471023)

        近年來,半導(dǎo)體LED市場(chǎng)及其前景被許多國(guó)家所關(guān)注,各國(guó)都紛紛制定相應(yīng)的LED發(fā)展計(jì)劃。如2001年日本制定了“21世紀(jì)光計(jì)劃”,2000年歐盟制定了“彩虹計(jì)劃”,2002年中國(guó)臺(tái)灣成立了“下一代光源新技術(shù)研發(fā)集團(tuán)”。美國(guó)在2002年至2010年期間投入巨額資金開發(fā)半導(dǎo)體LED照明產(chǎn)品。2003年6月17日,我國(guó)由科技部組織的“國(guó)家半導(dǎo)體照明工程”正式啟動(dòng)。2009年初,為了推動(dòng)中國(guó)LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,降低能源消耗,中國(guó)科技部推出“十城萬盞”半導(dǎo)體照明應(yīng)用示范城市方案,該方案的實(shí)施將極大地推動(dòng)中國(guó)LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。特別是最近中國(guó)淘汰白熾燈計(jì)劃的實(shí)施,也將極大地促進(jìn)LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。GaN基高亮度LED已成為光電子領(lǐng)域研究和產(chǎn)業(yè)的熱點(diǎn)[1-3]。但是大功率LED目前還是不太成熟,特別是隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加,LED的發(fā)光效率會(huì)逐漸降低,即“Efficiency Droop”現(xiàn)象。這一現(xiàn)象嚴(yán)重阻礙了LED的使用和推廣。

        針對(duì)GaN基LED存在的這一問題[1-6],本文提出了一種新的器件制備方法:即在傳統(tǒng)的U型GaN壘層中插入一層P型InGaN薄層,從而提高LED的光電效率,緩解效率下降的問題。

        1 器件結(jié)構(gòu)和制備過程

        本論文中外延片的基本結(jié)構(gòu)如圖所示,外延片大致包括以下幾個(gè)部分:藍(lán)寶石襯底、緩沖層、u-GaN、n-GaN、多量子阱發(fā)光層、P型電子阻擋層(EBL)以及P型GaN層[7-8]。具體生長(zhǎng)方法如下:

        圖1 三種LED器件的結(jié)構(gòu)

        在外延片生長(zhǎng)之前是Bake+Coat:Bake的作用是利用高溫去除反應(yīng)腔內(nèi)的揮發(fā)物質(zhì);Coat的作用是在石墨基座上生長(zhǎng)一層GaN涂層,防止石墨基座中的揮發(fā)物造成污染。首先在100 mbar的氣壓,1 090°并通入氫氣的條件下烘烤襯底300 s。然后在通入氮?dú)獾r底120 s。接著在530°的條件下生長(zhǎng)GaN緩沖層,緩沖層主要起到釋放應(yīng)力的作用。然后生長(zhǎng)u-GaN,u型氮化鎵分成3層來長(zhǎng),分別是 GaN0、GaN1和 GaN2,從 GaN0到 GaN2的生長(zhǎng)速度逐漸增加,GaN0、GaN1、GaN2的生長(zhǎng)壓強(qiáng)分別是 650 mbar、400 mbar、250 mbar。接著生長(zhǎng)多量子阱發(fā)光層,我們一共生長(zhǎng)了6個(gè)周期的量子阱,每層壘的生長(zhǎng)時(shí)間是180 s,大約10 nm,阱層的生長(zhǎng)時(shí)間是110 s,厚度大約是3 nm。壘層的生長(zhǎng)溫度是830°,阱層的生長(zhǎng)溫度是730°,In的組分大約為16%。然后生長(zhǎng)電子阻擋層,普通傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用AlGaN作為電子阻擋層,AlGaN的厚度是20 nm,生長(zhǎng)溫度為960°。在本文所提出的新結(jié)構(gòu)中,最后生長(zhǎng)P型GaN,P-GaN層也分兩層來生長(zhǎng)。第1層厚度較薄,但是摻雜濃度高,第2層厚度較厚,但是摻雜濃度會(huì)低些。為了更有利于形成歐姆接觸,我們還生長(zhǎng)了兩個(gè)周期的GaN/InGaN超晶格層。在生長(zhǎng)發(fā)光層中的阱層和壘層時(shí),為了增加In的并入,所用的載氣為氮?dú)?,而其他層的生長(zhǎng)都是用氫氣做載氣。采用氫氣做載氣生長(zhǎng)GaN有利于減小外延層中[O]和[C]的濃度。傳統(tǒng)的LED A直接采用U型的GaN做壘層;而LED B采用在U型GaN壘層中插入P型GaN的方法做壘層;LED C采用在U型GaN壘層中插入P型InGaN的方法做壘層。同時(shí)為了從理論上分析改進(jìn)的壘層對(duì)器件性能的影響并加深對(duì)器件工作原理的理解,我們采用APSYS軟件對(duì)器件中載流子分布、量子效率等進(jìn)行了計(jì)算。APSYS軟件利用有限元法在空間離散泊松方程、電流連續(xù)性方程、載流子輸運(yùn)方程和量子機(jī)制的波方程等方程,得到非線性方程組,然后用求解非線性方程組的方法,如牛頓迭代法進(jìn)行迭代求解,從而得到LED器件的電學(xué)與光學(xué)特性。該軟件不僅考慮了氮化物組件各層交接面的內(nèi)建極化效應(yīng),還兼顧了載流子的自發(fā)輻射復(fù)合和缺陷所造成的SRH非輻射復(fù)合速率問題。在仿真精度高的基礎(chǔ)之上,此軟件還具有迭代穩(wěn)定和計(jì)算速度高的特點(diǎn)。

        2 結(jié)果與分析

        圖2是在20 mA的注入電流下,3個(gè)LED中空穴的分布情況。在傳統(tǒng)的LED結(jié)構(gòu)中,電子和空穴主要分布在最靠近P區(qū)的量子阱區(qū)域中。這種分布方式存在以下幾個(gè)問題:首先,最后一個(gè)阱中的電子濃度太高,電子在電子阻擋層中的隧穿效應(yīng)會(huì)非常明顯,這種隧穿效應(yīng)將惡化電子泄漏的問題;其次,由于電子主要集中在最后一個(gè)阱層中,電子的濃度會(huì)很高,俄歇復(fù)合會(huì)大大增加,從而降低LED的輻射復(fù)合速率[9-13];最后,載流子主要分布在最后一個(gè)阱中,也不利于阱層的利用,浪費(fèi)了工藝成本。從圖2可以看出,在傳統(tǒng)的GaN壘層中插入一層P型InGaN層,一方面能提高多量子阱中空穴的濃度,另一方面也使得空穴的分布更加均勻。

        圖2 LED器件在20 mA的注入電流下量子阱中空穴的分布情況

        發(fā)光二極管是依靠載流子的輻射復(fù)合而發(fā)光的,這是一種雙載流子復(fù)合發(fā)光過程。從圖3可以發(fā)現(xiàn),改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的量子阱區(qū)域的輻射復(fù)合發(fā)光速率相對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高了近20%,而這表明該樣品的內(nèi)量子效率變高了。采用插入層的方法后,量子阱和量子壘層的晶體質(zhì)量都有所提高,位錯(cuò)缺陷的密度也有所減小。位錯(cuò)缺陷是一種非輻射復(fù)合中心,它能捕捉非平衡載流子從而減小輻射復(fù)合發(fā)光的效率。可以看到,有源區(qū)晶體質(zhì)量的提高也能有效提升輻射復(fù)合的發(fā)光效率。

        圖3 3個(gè)器件中的輻射符合速率

        如圖4所示,在大電流下,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的LED中存在很大的漏電問題,這些泄漏進(jìn)P區(qū)的電子和P區(qū)未來得及注入量子阱中的空穴發(fā)生非輻射復(fù)合后會(huì)降低LED的發(fā)光效率。而在改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)中,由于電子和空穴的分布更加均勻,電子波函數(shù)和空穴波函數(shù)的交疊更大,復(fù)合的速率更高,從而極大地緩解了如圖4所示的漏電問題。

        圖4 三種LED器件的電子泄露情況

        如圖5(a)所示,改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的壘層大大地緩解了“Efficiency Droop”的問題。另外,如圖5(b)所示,改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的LED在0~200 mA的范圍內(nèi)的發(fā)光功率都要大于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的LED。很明顯,本結(jié)構(gòu)對(duì)于大功率LED的研制具有重要的意義。

        圖5 (a)LED的內(nèi)量子效率和(b)發(fā)光功率

        3 結(jié)論

        本文采用在GaN壘層中插入P型材料的方法緩解了LED效率隨驅(qū)動(dòng)電流的上升而下降的問題,提高了器件的發(fā)光效率。從理論上分析LED效率提高的原因,發(fā)現(xiàn)是器件多量子阱中載流子濃度的提高導(dǎo)致輻射復(fù)合效率也隨之增加,從而緩解了漏電問題并最終提升了LED的發(fā)光效率。

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        姚惠林(1964-),男,湖北荊州人,洛陽理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化系,副教授,主要研究自動(dòng)化與光電子器件。

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