張正宜， 王 超

(1. 山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系， 山西 太原 030031；2. 蘭州交通大學(xué) 光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 蘭州 730070)

1 引 言

InGaN半導(dǎo)體材料具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)和直接能隙結(jié)構(gòu)，通過改變In原子在InGaN中的比例，可實(shí)現(xiàn)從0.7 eV到6.2 eV的能隙調(diào)控，從而可以在整個(gè)可見光范圍內(nèi)通過電致發(fā)光[1-2]。InGaN LED被廣泛應(yīng)用到通用照明和顯示領(lǐng)域。對(duì)于氮化物發(fā)光二極管器件來說，InGaN多量子阱結(jié)構(gòu)是其最重要的組成部分。目前，對(duì)于InGaN多量子阱的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)理方面做了大量的研究工作，其中，包括量子阱p型摻雜、梯度量子阱、三角量子阱的設(shè)計(jì)等改變量子阱內(nèi)的極化電場(chǎng)，采用lnGaN或者InAlGaN作為勢(shì)壘材料來調(diào)節(jié)多量子阱中的應(yīng)力[3]，對(duì)InGaN多量子阱壘層摻雜Si來改善器件的光學(xué)及電學(xué)性能[4-6]。勢(shì)壘層n型摻雜對(duì)于提升MQWs及LED器件的性能起著至關(guān)重要的作用。目前都通過調(diào)控壘層摻雜生長(zhǎng)LED結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征及光電性能討論。但對(duì)勢(shì)壘層Si摻雜的理論機(jī)理探討研究報(bào)道較少。目前，李國(guó)強(qiáng)等通過壘層Si摻雜來改善lnGaN綠光多量子阱的界面質(zhì)量和電流的擴(kuò)展性提高LED光電性能[7]；郭志友等通過壘層的n和p型摻雜提高LED的光輸出功率[8]。DenBaars等通過勢(shì)壘摻Si來提高激光器的光增益進(jìn)而研究影響lnGaN量子阱的物理機(jī)制。

對(duì)lnGaN多量子阱LED研究中發(fā)現(xiàn)，量子壘的Si摻雜增加了電子載流子濃度，有利于屏蔽極化電場(chǎng)的作用[9-12]。然而，有關(guān)通過理論研究勢(shì)壘層Si摻雜調(diào)控lnGaN多量子阱的電場(chǎng)變化的報(bào)道較少，其對(duì)器件光電性能影響的物理機(jī)制還需進(jìn)一步探討。本文通過理論仿真計(jì)算研究勢(shì)壘層Si摻雜對(duì)lnGaN多量子阱電場(chǎng)的影響，從而獲得調(diào)控lnGaN多量子阱極化電場(chǎng)的理論基礎(chǔ)，進(jìn)而改善lnGaN多量子阱LED器件的光電性能。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

采用6×6 K·P方法計(jì)算了InGaN多量子阱LED結(jié)構(gòu)，并研究了其光電性質(zhì)。圖1是GaN基LED結(jié)構(gòu)示意圖。N-GaN層的厚度為2 μm，摻雜濃度為6×1018cm-3；In0.2Ga0.8N(3.2 nm)/GaN∶Si (4.8 nm)多量子阱為11個(gè)周期；勢(shì)壘層GaN∶Si摻雜濃度分別為：0，1e16，5e16，1e17，5e17，1e18，5e18，1e19，2e19，1e20cm-3；p-Al0.15Ga0.85N阻擋層的厚度為50 nm，摻雜濃度為5e17cm-3；p-GaN電極接觸層摻雜濃度為2e19cm-3。仿真計(jì)算中帶階比ΔEc/ΔEv=0.7/0.3為默認(rèn)參數(shù)。電子和空穴的遷移率分別為100 cm2·V-1·s-1和10 cm2·V-1·s-1，器件的工作溫度為300 K，仿真計(jì)算中其他的半導(dǎo)體材料參數(shù)已被文獻(xiàn)報(bào)道[13-14]。

圖1 GaN基LED結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)果與討論

InGaN/GaN量子阱區(qū)的內(nèi)部電場(chǎng)是壓電極化場(chǎng)和自發(fā)極化場(chǎng)共同作用的結(jié)果。圖2為注入電流60 mA時(shí)，InGaN/GaN多量子阱區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)及電勢(shì)分布圖。隨著勢(shì)壘中摻雜濃度的增加，當(dāng)摻雜Si濃度≤1e18cm-3時(shí)，勢(shì)壘的右邊界的電場(chǎng)變化不明顯；當(dāng)摻雜Si濃度≥5e18cm-3時(shí)，勢(shì)壘的左邊界的電場(chǎng)明顯增加，如圖2(b)所示。這主要是由于勢(shì)壘層在低摻雜濃度時(shí)界面聚集的電子數(shù)量較少，電場(chǎng)較弱。而當(dāng)摻雜濃度高時(shí)界面聚集的電子濃度增加。從圖2(b)中可以觀察到勢(shì)壘的左邊界的電場(chǎng)變化不明顯，這主要是由于勢(shì)阱的右邊界有大量的空穴與勢(shì)壘左邊界的電子發(fā)生復(fù)合，導(dǎo)致勢(shì)壘左邊界聚集的電子數(shù)量減少。因此，增加勢(shì)壘摻雜濃度提高了勢(shì)壘與勢(shì)阱界面的電場(chǎng)強(qiáng)度。勢(shì)壘摻雜濃度的增加分布降低了勢(shì)壘和勢(shì)阱中的電場(chǎng)強(qiáng)度。

為了研究勢(shì)壘不同摻雜對(duì)量子阱區(qū)非輻射復(fù)合的影響，分別討論不同摻雜濃度勢(shì)壘LED隨注入電流變化的總的非輻射復(fù)合、肖克萊-霍爾-里德復(fù)合和俄歇復(fù)合的電流密度曲線，如圖3所示。從圖3(a)中可以觀察到隨著注入電流的增加，非輻射復(fù)合電流密度逐漸增大。這主要是由于非輻射復(fù)合主要由肖克萊-霍爾-里德復(fù)合和俄歇復(fù)合組成。摻雜濃度的增加可導(dǎo)致量子阱區(qū)的這兩種方式復(fù)合幾率增加。當(dāng)注入電流為60 mA時(shí)，隨著摻雜濃度的增加，總的非輻射復(fù)合電流密度逐漸增大，但變化幅度較小。這主要是由于在該電流下肖克萊-霍爾-里德復(fù)合與俄歇復(fù)合共同作用的結(jié)果。如圖3(b)所示，在摻雜濃度<1e19cm-3時(shí)，肖克萊-霍爾-里德復(fù)合的電流密度變化較小，變化趨勢(shì)是隨著摻雜濃度的增加肖克萊-霍爾-里德復(fù)合的電流密度逐漸增大。然而，當(dāng)摻雜濃度≥1e19cm-3時(shí)，SHR復(fù)合幾率降低。如圖3(c)所示，隨著摻雜濃度的增加，Auger復(fù)合幾率逐漸增加。這主要是由于非輻射復(fù)合幾率和摻雜濃度與其相關(guān)的系數(shù)有關(guān)系[15]。

圖2 注入電流為60 mA時(shí)，11個(gè)InGaN/GaN多量子阱中不同硅摻雜濃度勢(shì)壘的內(nèi)電場(chǎng)分布圖(a)及其局部放大圖(b)。

圖3 不同摻雜濃度勢(shì)壘LED隨注入電流增加的非輻射復(fù)合電流密度變化曲線，其中包括總非輻射復(fù)合電流密度(a)、肖克萊-霍爾-里德復(fù)合電流密度(b)和俄歇復(fù)合電流密度(c)。

為了研究勢(shì)壘Si摻雜對(duì)GaN LED的工作電壓的影響，討論了不同摻雜濃度勢(shì)壘GaN LED工作電壓隨注入電流的變化，如圖4(a)所示。從圖4(a)中可以觀察到當(dāng)摻雜濃度<5e18cm-3時(shí)，隨著注入電流的增加，工作電壓變化量較大。當(dāng)注入電流為60 mA時(shí)，工作電壓達(dá)3.7 V左右；當(dāng)摻雜濃度≥5e18cm-3時(shí)，隨注入電流的增加，工作電壓變化量較小。當(dāng)注入電流為60 mA時(shí)，工作電壓約3.1 V。勢(shì)壘摻雜濃度的提高有利于GaN基LED工作電壓的降低，工作電壓的升高主要是由于量子阱中的電勢(shì)變化較大引起的[7,10]。圖4(b)是注入電流為60 mA時(shí)，不同摻雜濃度勢(shì)壘的量子阱的電勢(shì)變化圖，從圖中還可以看出隨著勢(shì)壘Si摻雜濃度的提高量子阱中的電勢(shì)逐漸降低，摻雜濃度為0～1e18cm-3時(shí)，后面8個(gè)量子阱中的電勢(shì)的變化幅度不大，基本保持一致。但摻雜濃度大于1e18小于5e18cm-3時(shí)，量子阱中的電勢(shì)變化幅度較大，這可能是由于此時(shí)摻雜引起的電場(chǎng)對(duì)量子阱中的極化電場(chǎng)影響較大導(dǎo)致[16-17]。

從圖5(a)中可以看出，當(dāng)Si摻雜濃度≤5e18cm-3時(shí)，隨著勢(shì)壘摻雜濃度增加，峰值波長(zhǎng)逐漸藍(lán)移。這主要是由于Si摻雜減弱了壓電極化場(chǎng)[18]；隨著電流的增加，峰值波長(zhǎng)發(fā)生藍(lán)移，這主要是由量子限制斯塔克效應(yīng)引起的[19]。當(dāng)摻雜濃度>5e18cm-3時(shí)，隨著注入電流的增加，峰值波長(zhǎng)基本不變。這主要可能是由于摻雜濃度的提高導(dǎo)致量子阱中電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)上移，空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)發(fā)生了較大的傾斜導(dǎo)致[20]。圖5(b)是不同摻雜濃度勢(shì)壘的LED的內(nèi)量子效率(IQE)隨注入電流變化曲線圖。隨著注入電流的增加，IQE逐漸降低。這主要是由于電流的增加，p型GaN層的電勢(shì)降低，從而降低了勢(shì)壘的高度，導(dǎo)致載流子的泄漏增加[21]。當(dāng)注入電流為60 mA時(shí)，摻雜濃度為1e18cm-3的IQE最高。為了解釋不同摻雜勢(shì)壘對(duì)IQE的影響，采用能帶理論討論量子阱中導(dǎo)帶、價(jià)帶、費(fèi)米能級(jí)、電子和空穴的波函數(shù)的變化規(guī)律。圖6是注入電流為60 mA時(shí)，不同摻雜濃度勢(shì)壘InGaN LED多量子阱的能帶圖。

圖4 不同摻雜濃度勢(shì)壘LED的工作電壓(a)隨注入電流變化的曲線圖和在注入電流為60 mA時(shí)的電勢(shì)(b)變化圖

圖5 不同摻雜濃度勢(shì)壘LED峰值波長(zhǎng)(a)和內(nèi)量子效率(b)隨注入電流變化曲線圖

圖6 注入電流為60 mA時(shí)，不同摻雜濃度勢(shì)壘GaN基LED多量子阱的能帶圖。

從圖6中可以發(fā)現(xiàn)勢(shì)壘摻雜濃度從0增加到5e1 7cm-3時(shí)，電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)幾乎未發(fā)生變化，說明導(dǎo)帶中的電子濃度和價(jià)帶中的空穴濃度保持不變。而這時(shí)導(dǎo)致內(nèi)量子效率下降的原因主要是由于非輻射復(fù)合。從圖5中可以看出隨著勢(shì)壘摻雜濃度的提高能帶結(jié)構(gòu)由傾斜變得水平，電子在導(dǎo)帶上的注入效率下降，空穴在價(jià)帶上的注入效率也開始下降。并且發(fā)現(xiàn)勢(shì)壘摻雜濃度從1e18cm-3增加到1e20cm-3時(shí)，準(zhǔn)空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)左邊突然上升，由此可知，空穴濃度在多量子阱中的分布變得不均勻，從右邊往左邊空穴濃度逐漸降低。這主要是由于空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)上升導(dǎo)致的注入率下降，并加劇了電子和空穴波函數(shù)的分離[22-23]，進(jìn)而證明了摻雜濃度>1e18cm-3量子阱內(nèi)量子效率下降的原因。當(dāng)摻雜濃度為1e18cm-3、注入電流為60 mA時(shí)，GaN基LED的內(nèi)量子效率最高約72%，這主要是由于非輻射復(fù)合和能帶變化共同作用的結(jié)果。

4 結(jié) 論

本文采用6×6 K·P方法從理論上研究了不同勢(shì)壘硅摻雜濃度對(duì)GaN基LED量子阱中電場(chǎng)的影響規(guī)律，并對(duì)其光電性質(zhì)進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)當(dāng)勢(shì)壘硅摻雜濃度>1e18cm-3時(shí)，阱壘界面處的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)變大，這主要是由于硅摻雜濃度過高導(dǎo)致量子阱中界面電荷的聚集?？偡禽椛鋸?fù)合和俄歇復(fù)合隨著勢(shì)壘摻雜濃度的增加而增加，而肖克萊-霍爾-里德復(fù)合隨之減少，這是由于點(diǎn)陷阱的增大形成了缺陷能級(jí)導(dǎo)致。勢(shì)壘摻雜有利于改善載流子的傳輸特性，從而降低GaN基LED的工作電壓。適當(dāng)?shù)膭?shì)壘摻雜降低了量子阱中界面電荷的損耗，當(dāng)摻雜濃度為1e18cm-3、注入電流為60 mA時(shí)，GaN基LED獲得了較高的內(nèi)量子效率約72%。