黃 晶，楊 輝，楊 龍

（上饒職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 上饒 334109）

汞燈被稱為紫外光的發(fā)生設(shè)備，其主要用于醫(yī)療器械、殺菌和檢測(cè)。由于汞燈耗電量大，體積大，壽命短，需要預(yù)熱10 min才能完全發(fā)光，難以普及。而深紫外LED易于安裝在機(jī)器上，并具有很好的安全性，工作電壓約5～7 V，尺寸僅幾毫米，預(yù)熱時(shí)間短，壽命長(zhǎng)，抗沖擊能力強(qiáng)。深紫外LED打破了汞燈的局限性，然而仍有技術(shù)弱點(diǎn)，比如：光效比汞燈差，生產(chǎn)技術(shù)不成熟。深紫外LED低發(fā)光效率是由于高位錯(cuò)密度引起的螺旋復(fù)合，低勢(shì)壘高度引起的電子泄漏，量子阱中大靜電場(chǎng)引起的弱載流子限制能力。為解決上述問題，Sun等［1］研究了具有AlGaN／GaN超晶格電阻擋層的AlGaN基深紫外LED，以減少電子泄漏。Zhang等［2］研究Al降低漸變的AlGaN電子阻擋層以限制電子溢出并提高深紫外LED的空穴注入效率。深紫外LED的底部使用Al漸變組分AlGaN量子勢(shì)壘，減少由于計(jì)劃效應(yīng)產(chǎn)生的靜電場(chǎng)，從而提高深紫外LED的載流子注入效率。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的深紫外LED光輸出效率比常規(guī)結(jié)構(gòu)高。

1 結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)

如圖1所示，常規(guī)結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)A）在C面藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)［3］，然后是3μm Si摻雜的n型Al0.55Ga0.45N外延層（n摻雜＝2×1018cm-3），有源區(qū)由6個(gè)10 nm Al0.55Ga0.45N勢(shì)壘層夾著5個(gè)2 nm Al0.45Ga0.55N阱層組成，在最后一個(gè)勢(shì)壘的頂部是20 nm p型Al0.6Ga0.4N EBL（p摻雜＝1×1019cm-3）和10 nm p型Al0.55Ga0.45N層（p摻雜＝1×1019cm-3），在結(jié)構(gòu)頂部沉積100 nm p-GaN層（p摻雜＝3×1019cm-3）。對(duì)于第2種結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)B），其結(jié)構(gòu)與常規(guī)結(jié)構(gòu)相同，只是底部量子勢(shì)壘被未摻雜的漸變Al組分的AlGaN代替，其由3 nm Al0.45Ga0.55N、4 nm Al0.5Ga0.5N和3 nm Al0.55Ga0.45N從下到上組成。

圖1 深紫外LED外延結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)果分析

圖2為結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B在120 mA下的靜電場(chǎng)分布和量子阱靜電場(chǎng)分布放大圖。從圖2可以看出，結(jié)構(gòu)B在底部使用梯度分量的AlGaN量子勢(shì)壘，其靜電場(chǎng)小于結(jié)構(gòu)A，這將有利于量子阱限制更多的載流子。特別是在底部量子阱處，結(jié)構(gòu)B的靜電場(chǎng)遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)A，這將允許更多載流子限制在底部量子阱中。

圖3展示了2種結(jié)構(gòu)的電子和空穴在量子阱中的濃度分布。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)B比常規(guī)結(jié)構(gòu)A的電子和空穴濃度都要高，這歸因于結(jié)構(gòu)B的低靜電場(chǎng)帶來的高載流子限制能力。

圖2 注入電流120 mA下深紫外LED的靜電場(chǎng)分布

圖3 量子阱中電子和空穴濃度分布

隨注入電流變化的內(nèi)量子效率和光功率輸出如圖4所示。從圖4（a）可以看出，結(jié)構(gòu)B的內(nèi)量子效率總體趨勢(shì)高于結(jié)構(gòu)A，結(jié)構(gòu)A的最大內(nèi)量子效率為0.32，結(jié)構(gòu)B的最大內(nèi)量子效率可達(dá)0.46。這充分說明結(jié)構(gòu)B底部使用了漸變成分AlGaN量子勢(shì)壘的結(jié)構(gòu)，具有更好的光學(xué)性能。圖4（b）為2種結(jié)構(gòu)的光輸出功率，隨著注入電流的增加，光輸出功率增加，但結(jié)構(gòu)B比結(jié)構(gòu)A的表現(xiàn)更好。當(dāng)電流為120 mA時(shí)，結(jié)構(gòu)B的光輸出功率為19.6 mW，結(jié)構(gòu)A為11.9 mW，結(jié)構(gòu)B的光輸出功率比A高出64.7%。這一結(jié)果也說明結(jié)構(gòu)B在光學(xué)性能上有很大的提升。

圖4 內(nèi)量子效率與光功率輸出

3 結(jié)論

AlGaN組分漸變的底層量子勢(shì)壘深紫外LED的靜電場(chǎng)比常規(guī)結(jié)構(gòu)低，可以提高載流子的注入效率。因此，采用Al組分漸變的AlGaN底部量子勢(shì)壘深紫外LED具有更高的內(nèi)量子效率和光輸出功率。