不规则H形量子势垒增强AlGaN基深紫外发光二极管性能

不规则H形量子势垒增强AlGaN基深紫外发光二极管性能 Performance Enhancement of AlGaN-based Deep-ultraviolet Light Emitting Diodes by Employing Irregular H-shaped Quantum Barriers 1 2 corresp first-author LU Lin E-mail:llu-wh@qq.com LU Lin E-mail:llu-wh@qq.com 鲁麟(1980-), 男, 安徽芜湖人, 博士后, 教授, 硕士研究生导师, 2009年于北京大学获得博士学位, 主要从事Ⅲ-Ⅴ族宽禁带半导体光电子材料及器件的研究。E-mail:llu-wh@qq.com 鲁麟 (1980-), 男, 安徽芜湖人, 博士后, 教授, 硕士研究生导师, 2009年于北京大学获得博士学位, 主要从事Ⅲ-Ⅴ族宽禁带半导体光电子材料及器件的研究。E-mail: llu-wh@qq.com llu-wh@qq.com 1 2 3 3 3 1 2 1 2 1 4 1 4 1 2 安徽工程大学 高端装备先进感知与智能控制教育部重点实验室, 安徽 芜湖 241000 安徽工程大学 高端装备先进感知与智能控制教育部重点实验室, 安徽 芜湖 241000 Key Laboratory of Advanced Perception and Intelligent Control of High-end Equipment, Ministry of Education, Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China Key Laboratory of Advanced Perception and Intelligent Control of High-end Equipment, Ministry of Education, Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China 安徽工程大学 电气工程学院, 安徽 芜湖 241000 安徽工程大学 电气工程学院, 安徽 芜湖 241000 School of Electrical Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China School of Electrical Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China 北京大学物理学院 宽禁带半导体研究中心, 北京 100871 北京大学物理学院 宽禁带半导体研究中心, 北京 100871 Research Center for Wide Gap Semiconductor, School of Physics, Peking University, Beijing 100871, China Research Center for Wide Gap Semiconductor, School of Physics, Peking University, Beijing 100871, China 安徽工程大学 外国语学院, 安徽 芜湖 241000 安徽工程大学 外国语学院, 安徽 芜湖 241000 School of Foreign Studies, Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China School of Foreign Studies, Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China 针对AlGaN基多量子阱中有效的平衡载流子注入问题，研究了有源区势垒层中Al组分调制形成的非规则H形量子势垒对AlGaN基深紫外发光二极管（LED）器件性能的影响及载流子的输运行为。研究发现，与多量子阱中常用的单Al组分势垒相比，加入Al组分较高的双尖峰势垒可以有效地提高内量子效率和光输出功率。进一步研究表明，电子在有源区因凸起的尖峰势垒而得到了有效的阻挡，减少了电子的泄露，而空穴获得更多的动能从而穿过较高的势垒进入有源区。因此，采用非对称H形量子势垒的深紫外LED器件中载流子输运实现了较好的平衡，量子阱中的载流子复合速率远高于普通的深紫外发光二极管。 AlGaN-based deep ultraviolet light-emitting diodes (DUV-LEDs) employing irregular H-shaped quantum barriers in the active region by modulating Al composition have been investigated. It has been found that the H-shaped quantum barriers by insertion of double spike barriers with higher Al composition can effectively improve both the internal quantum efficiency (IQE) and light output power (LOP) compared to commonly adopted single-Al-composition barrier for AlGaN multiple quantum wells (MQWs). It is verified that electrons in the active region are effectively blocked by the raised barriers, while holes can gain more kinetic energy to cross the barrier height and then be injected into the active region. Thus the carrier recombination rate in the DUV-LEDs adopting the H-shaped quantum barriers can prevail much over the conventional one. AlGaN 深紫外发光二极管 量子势垒 AlGaN deep ultraviolet light-emitting diodes quantum barrier 引言 1 作为一种重要的三元氮化物合金，AlGaN具有较高的电子饱和速率、介电常数和耐高温等特性 [ 1 1 ] 。此外，它是禁带宽度在3.4~6.2 eV之间连续可调的直接带隙半导体 [ 2 2 ] ，其范围几乎覆盖整个紫外光谱。近年来，AlGaN基深紫外发光二极管（LED）在数据存储、生物医学、日常消毒、水和空气净化、光治疗等方面呈现了广泛的应用潜力 [ 3 3 ] ，因此是当前国际研究热点领域。 在AlGaN材料中，电子浓度一般相对较高且迁移率较高，而空穴很难实现高浓度，并且迁移率较低，导致在有源区呈现非对称分布 [ 4 4 ] 。而且空穴从p区向n区输运比较困难，这使得空穴在靠近p区的阱中浓度较高，离p区越远的阱中空穴浓度越低。除此之外，电子泄露也是深紫外LED器件中非常严重的问题。因而有效地平衡载流子注入的器件结构设计以及相应的机理研究显得极为重要 [ 5 5 ] 。而为克服这个严重的载流子注入平衡问题，目前国际上提出了一些新型的结构设计，比如组分渐变的电子阻挡层 [ 6 6 ] 、多层的量子势垒 [ 7 7 ] 、组分渐变的量子势垒等 [ 8 8 - 10 10 8-10 ] ，因此，探索新颖的结构设计也是提高器件性能的重要途径。针对AlGaN基多量子阱中电子阻碍效应和空穴有效注入问题，本研究工作中采用了一种不规则H形量子势垒策略，以平衡载流子的运输。本文通过APSYS [ 11 11 ] 软件进行二维数值模拟计算，并对其物理机制进行了分析和讨论。 结构设计与参数设置 1 图 1 图 1 展示了本研究中所用的两种不同结构，为便于分析，除量子阱有源区组成不同外，其余结构参数保持一致。 图 1（a） 图 1（a） 所示的结构从最底层 c 平面的蓝宝石开始，上面是1.5 μm厚的AlN缓冲层和0.5 μm的n型Al 0.55 Ga 0.45 N。有源区由5对量子阱组成，其中2.3 nm厚的Al 0.37 Ga 0.63 N量子阱和10 nm厚的n型掺杂浓度为1.0×10 18 cm -3 的AlGaN量子垒，最后一层量子垒是20 nm厚的非掺杂Al 0.5 Ga 0.5 N。随后是10 nm厚的Mg掺杂浓度为1.0×10 19 cm -3 的AlGaN电子阻挡层和50 nm厚、p型掺杂浓度为1.0×10 18 cm -3 的Al 0.5 Ga 0.5 N，最后是150 nm厚的掺杂浓度为1.0×10 18 cm -3 的p-GaN。 图 1（c） 图 1（c） 所示为新型不规则H形量子垒结构（结构B）。其中的有源区是由n-Al 0.55 Ga 0.45 N（2.5 nm）/Al 0.5 Ga 0.5 N（5.5 nm）/Al 0.6 Ga 0.4 N（2 nm）组成。最后一层量子垒是由Al 0.55 Ga 0.45 N（2.5 nm）/Al 0.5 Ga 0.5 N（17.5 nm）组成。上述器件结构能通过金属有机物化学气相沉积系统（MOCVD）进行外延生长实现，建议的生长条件是：AlN在1 250 ℃温度下以1 μm/h的速度进行生长。n-AlGaN和量子阱区分别在1 150 ℃和1 080 ℃下生长，具体细节已在我们以往的研究工作中进行了详细描述 [ 12 12 ] 。 本文采用自洽6能带k·p理论计算能带结构和波函数 [ 13 13 ] 。为了简化模拟，俄歇复合系数和SRH寿命分别设为1×10 30 m -6 ·s -1 和10 ns [ 14 14 ] 。能带偏移比Δ E c /Δ E v 设为0.7/0.3 [ 15 15 ] 。深紫外LED器件内部工作温度设为300 K [ 16 16 ] 。内置的界面极化电荷根据Fiorentini等 [ 17 17 ] 的公式进行计算，其中将40%的理论极化电荷密度用于解释固定缺陷和其他表面电荷的补偿。 结果与分析 1 图 2 图 2 给出了结构A（参考结构）和结构B（新结构）的内量子效率和光输出功率与注入电流密度的函数关系。可以看出，在整个注入电流密度范围内，结构B的光输出功率和内量子效率（IQE） η 始终优于结构A。尤其是当注入电流密度达到100 A/cm 2 时，新型结构B的内量子效率和光输出功率较参考结构A分别提高到1.08倍和1.07倍。此外，当注入电流密度约为65 A/cm 2 时，结构A和结构B的最大IQE分别为48.50%和52.18%。根据公式（ η max －η min ）/ η max 可得结构A和结构B的效率骤降率分别为3.3%和1.3%。因此，与结构A相比，结构B的器件性能有了明显的改善，这可能是由于在有源区中载流子分布的调整以及空穴和电子波函数的重叠造成的。 为了更好地理解这种新型不规则H形量子阱结构提高深紫外LED性能的物理机制，我们选择注入电流为100 A/cm 2 时电场的分布情况与能带图为例进行详细分析。 图 3 图 3 为注入电流为100 A/cm 2 时有源区电场强度分布。众所周知，空穴的输运行为可以用以下公式来描述： http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=3015879&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=3015879&type=small http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=3015879&type=middle http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=3015880&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=3015880&type=small http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=3015880&type=middle 其中 V p 为空穴漂移速度， μ p 为空穴迁移率， E 与 E k 分别为静电场强度和动能， m h * 为空穴有效质量。可以看出，在[000 1 ]方向上增加的电场强度会使空穴获得更大的动能，这将对空穴有效地注入有源区有很大帮助。通过计算，结构A与B在有源区内的平均电场强度分别为3.59×10 4 V/cm和1.30× 10 4 V/cm，因而相较于结构A, 结构B具有更小的平均电场强度，说明在结构B中采用不规则H形量子势垒时，附加了沿[000 1 ]方向上的等效电场。考虑到不规则H形量子势垒是由高Al组分双尖峰势垒而形成的，附加的额外电场应归功于极化效应导致的量子势垒界面上的极化电荷，这在我们以往的研究中已进行了详细的阐述 [ 12 12 ] 。 图 4 图 4 展示了在注入电流为100 A/cm 2 时A结构和B结构的能带图，A结构和B结构的电子有效势垒高度分别为220.71 meV和365.03 meV，这表明采用不规则H形量子势垒的B样品具有更强的阻挡电子泄露的能力。而对于空穴，A、B结构的空穴有效势垒高度分别为415.26，404.07 meV，说明B结构更有利于空穴的有效注入。 图 5 图 5 分别展示了在电流密度为100 A/cm 2 时结构A和B在有源区内电子和空穴的浓度分布情况。可以清楚地发现，结构B的电子浓度较结构A仅有轻微的变化，并且在量子阱之间积累了一些电子。 图 5（a） 图 5（a） 中的插图显示了电子在p区的泄露情况，显然，结构B的电子泄露量要远小于结构A，这进一步证实了结构B中不规则的量子势垒设计可以有效地防止电子泄露。与此同时，如 图 5（b） 图 5（b） 所示，结构B中有源区的空穴浓度明显高于结构A，显著改善了电子和空穴的非平衡注入问题。 为进一步比较两种结构的性能，我们分析了在注入电流为100 A/cm 2 时两种结构的载流子的辐射复合情况。 图 6 图 6 显示了结构A和B量子阱区域的平均辐射复合速率分布，可以发现结构B的平均辐射复合速率是结构A的1.16倍。另外，从 图 6 图 6 也可以看出，结构B中的每一对量子阱中辐射复合速率都显著高于结构A。结合 图 5 图 5 中空穴与电子的浓度分布，这也进一步验证了不规则H形量子势垒调制的有源区中空穴浓度的增加是导致辐射复合速率增长的主要原因。 结论 1 综上所述，通过引入不规则H形量子势垒结构能有效地改善AlGaN基深紫外LED器件的载流子平衡注入难题。与普通的深紫外发光LED相比，这种不规则H形量子势垒结构的LED器件结构在内量子效率和光输出功率上都有了很大的改善。研究结果表明，不规则H形量子势垒产生的电场调制效应使空穴获得了更多的动能，从而能够通过更高的势垒进入有源区。同时，较高的电子势垒有效地阻碍了电子逸出有源区，而较低的空穴势垒也有利于空穴有效注入。因此，采用不规则H形量子势垒的结构设计中，器件的性能因空穴浓度的提高得到了极大的提升，从而有效地增加了载流子的辐射复合发光。我们的研究也表明，在常用的单一Al组分的AlGaN量子阱势垒中引入Al组分较高的尖峰非规则结构是一种提高AlGaN基深紫外发光器件性能的有效途径。 参考文献 KNEISSL M, SEONG T Y, HAN J, et al .. 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