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。