改变井障参杂铝在提升发光效率中的应用

1　引言

目前，氮化镓铟的发光二极管（简称InGaN_LED）被广泛应用于节能技术，包括一般的照明、背光和显示器。尽管取得了巨大的进展，但存在一种现象即内部量子效率受到实质性的影响而下降，称为效率下降。如何增加大功率设备的注入电流仍然是目前发展中遇到的阻碍，特别是那些经营贩卖高电流密度的器件厂商。近几年来，各式各样的物理机制已经被调查，且有解释InGaN_LED效率下降的现象，如载流子溢流、俄歇复合、结加热效应、载流子错位密度、电流拥挤效应、空穴注入效率差、极化效应、量子限制斯塔克效应（简称“QCSE”）。AlGaN/GaN超晶格的EBL和AlGaN/AlInN超晶格的EBL。众所周知，空穴在GaN基材料中具有较高的有效质量，也因此具有非常低的迁移率，所以空穴很难注入和运输进入活性区。因此，在P型区域简称（P-type）旁边的最后一个QW中积累了大量的空穴。更糟糕的是，P-type中的电子会与空穴复合，因此进一步地降低空穴注入效率。结果，电子溢流以及不良的空穴注入导致大部分载流子在P-type侧层的最后一个量子井聚集，并且辐射复合主要来自最后的量子井。因此在这篇文章中，蓝光InGaN_LED搭配AlGaN井障伴随着Al不同浓度参杂来改善活性区的载流子分布，这主要是因为对电子的阻挡增加以及对空穴的阻挡减少。此外，由于最后一道屏障的向下带弯曲缓和，电子限制和空穴注入效率也显著增强。根据里面的分析过程，将原本GaN井障增加Al组分形成AlGaN井障。首先，选择出参杂Al的最佳值并做亮度的探讨。在本文中使用的是在c-平面蓝宝石衬底上通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）法生长磊晶出的常规蓝光InGaN_LED的结构。实验分成四个样品A、B、C、D分别为样品A为参杂当量26、样品B为参杂当量13、样品C为参杂当量6、样品D为参杂当量0。由三组实验观察亮度与铝的关系和不同铝当量与抗静电能力（简称ESD）关系。

2　结果与讨论

现行LED结构MQW的结构为氮化镓与氮化镓铟（GaN/InGaN）的周期性结构，此实验将原结构变成氮化铝镓与氮化镓铟的周期性结构，实验的氮化铝镓能带示意图如图1所示。从文献中得知藉由参杂TMAl提高能障来减缓电子的移动速度减少电子溢流的发生并增加电子与空穴在MQW中复合几率，如此一来可以增加发光效率。实验结构如图2所示。

（a）无参杂（b）铝当量=6（c）铝当量=13（d）铝当量=26

图1　井障参杂铝的能带示意图

（a）无参杂铝（b）参杂铝

图2　井障参杂铝的结构示意图

但是要将TMAl参杂进井障有一个问题，我们所知的氮化铝镓（AlGaN）的生长温度为1000℃左右而MQW的井障生长温度为800℃左右，可想而知在此温度下生长氮化镓铝（AlGaN）的长晶质量会变差许多，因此藉由升高压力来减少Al的参杂量以及升高温度来改善长晶质量，此部分实验结果如2.1节探讨改善井障中参杂TMAl的生长条件。

2.1　改善井障中参杂三甲基铝的生长条件

对照组为单纯在井障中参杂TMAl，参杂当量为6且未调整长晶温度压力，温度及压力分别为850℃及150托。从表1中对照组与不同改善条件下的ESD分别为79%、87%、94%、96%，其中对照组的ESD表现最差，由此结果可以得出此种长晶环境对于氮化镓铝来说不合适。因此，藉由升高压力及升高温度来改善长晶质量，压力增加50托及温度增加15℃的ESD表现最好，长晶条件从原来的压力200托及温度850℃，变成压力250托及温度865℃，由此结果可以得出此种长晶环境对于氮化镓铝来说较合适。

表1　改善前ESD良率

2.2　改变不同三甲基铝当量对亮度的关系

由上述实验结果得出最佳长晶环境改善条件为压力增加50托及温度增加15℃。在此条件下改变TMAl参杂当量，参杂当量分别为26、13、6、0。从表2中ESD表现从TMAl当量从26到0分别为70%、87%、95%、95%，其中TMAl参杂当量为6跟0的表现最佳，TMAl参杂当量为26表现最差由此结果可以得出TMAl参杂当量越高对MQW的井障长晶质量影响越大。

表2　改善后改变不同铝当量ESD良率

探讨参杂不同当量TMAl对蓝光LED亮度的影响，如图3所示，可以发现TMAl参杂当量为6的亮度表现最佳而TMAl参杂当量为26的亮度表现最差。TMAl参杂当量为6的亮度表现最佳是因为如图3所示，能障变大使阻挡电子的效果更加明显，让电子与空穴在MQW中复合几率提高，间接让发光效率提升，对照组在波长454nm下的平均亮度为31mW，铝参杂当量为6在波长454nm下的平均亮度为32mW亮度提升3.2%。铝参杂当量为26的亮度表现最差亮度无提升反下降6.8%，亮度下降可以从表2的ESD表现中看出来，ESD越差代表长晶品质越差，可说明多重量子井的缺陷越多使得非辐射复合变严重，间接导致电子电洞复合效率变差，如此一来可以说明为何TMAl参杂当量为26的亮度最差，而TMAl参杂当量为13及0两者亮度相当是因为无参杂TMAl和TMAl参杂当量为13的长晶品质相当，其中无参杂TMAl的条件较优可从表2中得知。另一方面，TMAl参杂当量为13的条件较无参杂TMAl的能障高，所以可以阻挡较多电子减缓电子移动速度电子与空穴在MQW中复合几率提高，以上两种现象一消一长以致两种参杂条件的亮度相当。图4所示，铝参杂当量为6不管在5mA、20mA、60mA点测电流下的EQE表现最佳。

图3　参杂不同TMAl参杂当量的波长与亮度分布

图4　对照组与最佳TMAl参杂当量实验的EQE表现

表3　亮度提升总结

参考文献

[1]M. R. Krames，O. B. Shchekin，R. Mueller-Mach，et al. Status and future of high-power light-emitting diodes for solid-state lighting[J]．IEEE/OSA Journal of Display Technology，2007，3（2）.

[2]S. Pimputkar，J. S. Speck，S. P. Den Baars，et al. Prospects for LED lighting[J]．Nature Photon，2009，3（4）.

[3]KOIKE M，SHIBATA N，KATO H，et al.Development of high efficiency GaN-based multiquantum-well light-emitting diodes and applications[J].IEEE J Sel Top Quantum Electron，2002，8（2）.

[4]J. Piprek．Efficiency droop in nitride-based light-emitting diodes[J].Phys. Stat. Sol.，Status Solidi A，2010，207（10）.

[5]M. H. Kim，M. F. Schubert，Q. Dai，et al. Origin of efficiency droop in GaN-based light-emitting diodes[J].Phys. Lett，2007，91（18）.

[6]E. Kioupakis，P. Rinke，K. T. Delaney，et al. Indirect Auger recombination as a cause of efficiency droop in nitride light-emitting diodes[J].Applied Physics Letters，2011，98（16）.

[7]A. A. Efremov，N. I. Bochkareva，R. I. Gorbunov，et al. Effect of the joule heating on the quantum efficiency and choice of thermal conditions for high-power blue InGaN/GaN LEDs[J].Semiconductors，2006，40（5）.

[8]S. F. Chichibu， T. Azuhata，M. Sugiyama，et al. Optical and structural studies in InGaN quantum well structure laser diodes[J].Journal of Vacuum Science & Technology B Microelectronics & Nanometer Structures，2001，19（19）.

[9]X. Guo，E. F. Schubert.Current crowding in GaN/InGaN light emitting diodes on insulating substrates[J].Journal of Applied Physics，2001，90（8）.

[10]J. Xie， X. Ni， Q. Fan，et al. On the efficiency droop in InGaN multiple quantum well blue light emitting diodes and its reduction with p -doped quantum well barriers[J].Applied Physics Letters，2008，93（12）.

[11]R. J. Choi，Y. B. Hahn，H. W. Shim，et al. Structural and optical properties of trapezoid InGaN/GaN multiple quantum wells in the active layer of light emitting diodes[J].Journal- Korean Physical Society，2003，42（2）.

[12]S. F. Chichibu，T. Sota，K. Wada，et al．Impact of Internal Electric Field and Localization Effect on Quantum Well Excitons in AlGaN/GaN/InGaN Light Emitting Diodes[J].Phys. Status Solidi，2001，183（1）.

收稿日期：2018-03-02

作者简介：吕家庆（1992-），男，中国台湾人，厦门开发晶照明有限公司外延工程师，北京大学软件与微电子学院在读硕士研究生，研究方向：半导体能源技术与应用。