丁 娟，王丹丹，韓孟序

(西安電子科技大學(xué)先進材料與納米科技學(xué)院，陜西西安 710071)

LED作為綠色固態(tài)能源的代表，在不斷被研究的50年間，大幅提高的器件性能以及不斷下降的制造成本，使得LED在各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，市場應(yīng)用數(shù)量不斷增長。隨著對藍綠光LED研究的不斷深入和完善，更多的研究人員將目光轉(zhuǎn)向了更短的紫外以及深紫外LED。在應(yīng)用方面，紫外LED在照明、殺菌、醫(yī)療、印刷、生化檢測等方面均有重要的應(yīng)用價值［1］，從環(huán)保角度來說，紫外LED能量損耗低、不含汞等有害物質(zhì)。隨著研究的進步，對LED性能的要求越來越高，但是目前深紫外 LED的效率由于高Al組分的AlGaN生長困難，Al原子比Ga原子遷移率低，會在表面晶格堆積成核，而Ga原子遷移率高，可以順利移動到合適穩(wěn)定的臺階處成核，表現(xiàn)為二維層狀生長。另外由于Al的活性高，已發(fā)生副反應(yīng)來影響外延生長，另外，Al組分對AlGaN中的受主電離能也會有明顯的影響。綜上所述，AlGaN的生長比較困難，生長造成的高位錯低，電導(dǎo)率等嚴重制約著器件的量子效率和功率。文中主要分析發(fā)光波長在360nm處的具有InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)的紫外LED。

在藍光LED的基礎(chǔ)上，不斷減少阱層中的In來使波長變短，逐漸向GaN的本征發(fā)光譜(360 nm)靠近。然而In組分的減少，會直接導(dǎo)致載流子限制效應(yīng)變?nèi)酰?］;另一方面，隨著InGaN阱層中In組分的減少，量子阱阱層和壘層能帶高度差變低，進一步減弱了載流子限制效應(yīng)，載流子限制效應(yīng)的減弱會使得從阱中溢出［3］，量子阱中的載流子濃度降低，這是導(dǎo)致360 nm LED發(fā)光效率低的重要因素。在此次結(jié)構(gòu)中，采用p－ALGaN/GaN超晶格，超晶格可以用于調(diào)制晶格失陪和抑制缺陷位錯［4］，在本文中一方面它可以作為電子阻擋層，阻止電子向P區(qū)的溢出;另一方面，通過限制靠近量子阱的超晶格層中的空穴密度，形成二維空穴氣，來達到空穴注入的目的［5］，當(dāng)然在此結(jié)構(gòu)中，超晶格也可以抑制量子阱上的缺陷和位錯使其不再或者很少向P區(qū)蔓延。利用光致發(fā)光的測試方法來研究器件的發(fā)光特性，PL測試結(jié)果表明發(fā)光譜中出現(xiàn)了明顯的雙峰現(xiàn)象，而且觀察到了藍帶熒光，本文推測這與材料中雜質(zhì)缺陷有關(guān)。

在研究GaN材料的過程中，會在GaN的PL譜中發(fā)現(xiàn)黃帶熒光(YL)和藍帶熒光(BL)，這些波長出射光的存在表明了材料有不容忽視的缺陷雜質(zhì)，嚴重影響了整個器件的發(fā)光效率。黃帶熒光的發(fā)光波長最大在2.2 eV處，至今有很多人研究過，Pankove and Hutchby［6］得到Y(jié)L不是與一種特定的雜質(zhì)而是與很多離子注入損傷引起的本征缺陷有關(guān)，第一原則計算得出的結(jié)論是在非摻雜GaN中Ga空位相關(guān)的缺陷是導(dǎo)致 YL 的原因。Ogino and Aoki［7］發(fā)現(xiàn) Si，O 摻雜不是影響YL的強度，然而摻雜C會提高YL的強度。而藍帶發(fā)光經(jīng)常會在非摻，Mg摻，Zn摻GaN中觀察到，而BL在Mg摻雜中，有明顯的特性，特別是激發(fā)強度有很大的變化，歸因于這是從深施主能級到MgGa淺受主的躍遷。在Mg摻的GaN中，由于早期的GaN P型摻雜困難，一是因為Mg會與生長過程中的H發(fā)生反應(yīng)形成絡(luò)合物，二是重摻雜的GaN是有嚴重的自補償，由于Mg的自補償過程，空穴達到飽和后，會隨著摻雜的增加而減少。在Mg摻GaN中，可以確定MgGa是個淺受主。在非摻的GaN中，主要是由于淺施主或者導(dǎo)帶向相對較深的受主能級。Yang［8］等得出BL形成的原因主要是由于導(dǎo)帶上方0.25veV處的ON態(tài)向VON這個在價帶頂0.8 eV處的能級躍遷發(fā)出的光;而Kaufmann et al.［9］等認為非摻GaN中BL的形成是深施主向淺受主躍遷導(dǎo)致的。

1 實驗部分

器件是利用MOCVD在2英寸的藍寶石襯底(0001)方向生長的，首先在低溫生長的GaN緩沖層上外延質(zhì)量較好的GaN層。生長的紫外LED結(jié)構(gòu)主要包括n－AlGaN:Si層，InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)，p－Al0.2Ga0.8N:Mg層，p－AlGaN/GaN層和最頂層的p－GaN:Mg層。然后生長好的外延結(jié)構(gòu)經(jīng)過常規(guī)的光刻，刻蝕，鍍金屬電極和ITO透明導(dǎo)電層等處理制成器件。利用Nanometrics rpm2000設(shè)備，對實驗樣品進行PL譜測試分析，在室溫下獲得PL譜測試曲線，利用光致發(fā)光的測試手段來分析LED的發(fā)光特性。

2 結(jié)果分析

圖1是具有p－AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)的360 nm GaN基LED的PL譜，從圖中可以看到發(fā)光峰值位置分別位于360 nm和377.8 nm，另外在藍帶還有一個峰值為437.7 nm的發(fā)光峰，對應(yīng)的能帶寬度為3.4 eV，3.28 eV和2.8 eV。峰值為360 nm的發(fā)光峰明顯是量子阱中電子從導(dǎo)帶躍遷到價帶頂所出射的光譜，峰值為377.8 nm的發(fā)光峰從超晶格結(jié)構(gòu)中出射，與理想的AlGaN/GaN超晶格出射的光譜存在一定的紅移，這主要是因為壓電效應(yīng)與Mg淺受主的共同作用，其中Mg受主的激活能在200～250 meV附近［10］，也有報道稱GaN中Mg的激活能是160 meV［11］。由于PL測試時，光源從正面打入，所以位于上方的P型超晶格的發(fā)光強度比量子阱大，因為它吸收了更多的光。

圖1 具有p－AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)的360 nm GaN基LED的PL譜

從圖中可以觀察到一個明顯的藍帶熒光峰，峰值對應(yīng)的能帶寬度為2.8 eV。由于藍帶很明顯，對發(fā)光效率有很嚴重的影響，所以其形成的原因很重要。已有研究人員認為BL出現(xiàn)的主要原因是由于淺施主或者導(dǎo)帶向相對較深的受主能級躍遷出射的光，Yang et al.等得出BL形成的原因主要是由于導(dǎo)帶上方0.25 eV處的ON態(tài)向VON這個在價帶頂0.8 eV處的能級躍遷發(fā)出的光，而Kaufmann et al.等認為非摻GaN中BL的形成是深施主向淺受主躍遷導(dǎo)致的。藍帶發(fā)光經(jīng)常會在非摻、Mg摻的GaN中觀察到，尤其在Mg摻GaN中，BL有著有明顯的特性，特別是激發(fā)強度有較大變化，歸因于這是從深施主能級到MgGa淺受主的躍遷。眾所周知，在P－GaN中，N空位的形成能很低，N空位有3個價態(tài)，而且其中V3+N相對帶有一個或者兩個正電荷的VN更加穩(wěn)定。V3+N是一個施主能級，在GaN中能帶位于導(dǎo)帶底0.4～0.59 eV范圍內(nèi)［12］，而PAlGaN/GaN中淺受主Mg的存在，電子從N空位能級上躍遷到Mg淺受主能級差與PL譜中觀察到的藍帶熒光峰的能帶寬度近似，這是由一個深受主到MgGa淺受主的躍遷，也論證了Kaufmann et al.的研究結(jié)果，所以可以認為在此器件PL測試中出現(xiàn)的藍帶是由于N空位和Mg相關(guān)的淺受主能級引起的。

在圖PL譜中可以觀察到多個出射峰，其波長的差異破壞了發(fā)光譜的單一性，使得LED的發(fā)光強度減弱，另一方面，由于GaN的本征發(fā)光譜約在365 nm，會對低于365 nm的光有吸收作用，但由于冒層p－GaN較好的歐姆接觸特性，目前還是不可缺少的。無論是超晶格出現(xiàn)的異于量子阱出來的波長，還是藍帶熒光的出現(xiàn)，以及GaN材料對光的吸收作用，這些都是嚴重了影響LED發(fā)光效率，所以針對這些問題，后期應(yīng)從調(diào)整超晶格中Al組分來切合量子阱的發(fā)光波長，調(diào)整生長時的Ⅲ－Ⅴ族比例，適當(dāng)進行Mg摻雜等方法，從外延材料結(jié)構(gòu)、結(jié)晶質(zhì)量和摻雜方面進一步改進工藝和結(jié)構(gòu)，以達到提高LED發(fā)光效率的目的。

3 結(jié)束語

研究了具有p－AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)的360 nm GaN基LED，由于360 nm的波長接近于GaN的本征發(fā)光波長，量子阱低In組分使得量子限制效應(yīng)降低，造成載流子溢出，導(dǎo)致引起發(fā)光效率的降低。從器件的PL譜分析中得到，除了由于量子阱和超晶格引起的雙峰外，藍帶發(fā)光是由N空位和Mg相關(guān)的淺受主能級引起的。應(yīng)進一步改善外延材料的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)等方面，使超晶格和量子阱出射光峰盡量一致，提高光譜的單一性，從而提高器件的發(fā)光效率。

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