具有卓越光輸出效率的GaN基LED模擬研究

黃 晶，陳 鵬

(上饒職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 上饒 334109)

近年來(lái)，由于GaN基LED在標(biāo)識(shí)牌、背光和照明領(lǐng)域的應(yīng)用不斷加強(qiáng)，至今幾乎完全取代傳統(tǒng)照明燈。為節(jié)省更多電能，提高LED的電能轉(zhuǎn)換效率，研究者做了較多研究。為減少電子泄漏，設(shè)計(jì)了各種不同結(jié)構(gòu)EBL的LED，如傳統(tǒng)的AlGaN EBL[1]。隨后，科研人員又設(shè)計(jì)了AlGaN/GaN超晶格EBL、InAlGaN/GaN超晶格EBL、InAlN/GaN超晶格EBL。這些結(jié)構(gòu)的電子泄漏較小，但仍存在泄漏。為改善空穴注入并減少由晶格失配引起的極化效應(yīng)，一些小組設(shè)計(jì)了不同的勢(shì)壘結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)高空穴注入和低極化效果。例如，梯度漸變的InGaN勢(shì)壘，這種結(jié)構(gòu)可以減少阱之間的極化效應(yīng)，導(dǎo)致輕微彎曲，還將減少p型一端電子的積累。另一小組設(shè)計(jì)了InGaN/GaN超晶格勢(shì)壘及漸變的銦成分阱和勢(shì)壘，這種結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步減小阱和勢(shì)壘之間的極化效應(yīng)，使有源區(qū)中的載流子濃度分布更均勻[2]。設(shè)計(jì)使用鋸齒形的AlGaN EBL和齒形的InGaN/GaN勢(shì)壘來(lái)進(jìn)一步提升GaN基LED的光輸出功率。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)置

利用物理仿真軟件進(jìn)行分析，使用傳統(tǒng)LED結(jié)構(gòu)作為參考，該結(jié)構(gòu)模擬生長(zhǎng)在C面的藍(lán)寶石襯底上[3]，在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)未摻雜GaN層和n型GaN層：Si(5×1018cm-3)。有源區(qū)由5個(gè)2 nm厚的In0.15Ga0.85N量子阱(QW)組成，夾在6個(gè)10 nm厚的n型GaN勢(shì)壘層之間。在有源區(qū)頂部生長(zhǎng)20 nm厚的p-Al0.15Ga0.85N EBL：Mg(4×1017cm-3)和100 nm厚的p型GaN覆蓋層：Mg(5×1017cm-3)。相比之下，具有特殊設(shè)計(jì)的鋸齒形AlyGa1-yN EBL的結(jié)構(gòu)A，其結(jié)構(gòu)基本與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，不同之處在于AlGaN EBL，其由3層梯度漸變的AlyGa1-yN 組成，見(jiàn)圖1。對(duì)于具有特殊設(shè)計(jì)的齒形InGaN/GaN勢(shì)壘的結(jié)構(gòu)B，除量子阱的中間勢(shì)壘層外，其結(jié)構(gòu)基本與結(jié)構(gòu)A相同。頂部勢(shì)壘和底部勢(shì)壘是10 nm厚的In0.08Ga0.92N勢(shì)壘，但中間的4個(gè)勢(shì)壘均由2個(gè)2 nm厚的銦成分漸變的InxGa1-xN勢(shì)壘組成，中間夾有3個(gè)2 nm厚的In0.08Ga0.92N勢(shì)壘，銦組分漸變的InxGa1-xN勢(shì)壘的銦含量從8%逐漸減少到0%，然后再穩(wěn)定增加到8%。這3種LED的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 LED外延結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)果與分析

圖2顯示了3個(gè)LED結(jié)構(gòu)在350 A/cm2的仿真能帶圖。在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，有效的電子阻擋勢(shì)壘偏低,為268 meV，有效空穴勢(shì)壘偏高，達(dá)到298 meV。因此，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)伴有嚴(yán)重的電子泄漏和低空穴注入，這將大大降低GaN基LED的光學(xué)性能。結(jié)構(gòu)A，當(dāng)使用鋸齒形的EBL時(shí)，有效電子勢(shì)壘提升到439 meV，有效空穴勢(shì)壘降低到241 meV。結(jié)構(gòu)B同時(shí)使用鋸齒形EBL和齒形InGaN/GaN勢(shì)壘，其有效的電子阻擋勢(shì)壘低于結(jié)構(gòu)A，為393 meV，有效的空穴勢(shì)壘高于結(jié)構(gòu)B，為271 meV。另一方面，結(jié)構(gòu)B的齒形InGaN/GaN勢(shì)壘對(duì)電子和空穴在各個(gè)量子阱中的限制作用加強(qiáng)，該結(jié)構(gòu)的發(fā)光效率將達(dá)到最高。

圖2 電流密度在350 A/cm2下的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B的能帶圖

圖3展示了350 A/cm2下的電子和空穴在各個(gè)量子阱的輻射復(fù)合率分布，為了美觀，每種不同的結(jié)構(gòu)在作圖時(shí)有一個(gè)0.002 μm的距離錯(cuò)位，實(shí)際是同一位置。3種結(jié)構(gòu)中，由于結(jié)構(gòu)A的電子勢(shì)壘最高，空穴勢(shì)壘最低，每一個(gè)量子阱的輻射復(fù)合率都高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。另外，結(jié)構(gòu)B除了具有結(jié)構(gòu)A的優(yōu)勢(shì)外，其齒形InGaN/GaN勢(shì)壘還更好地限制了載流子在各個(gè)量子阱中的分布，因此，結(jié)構(gòu)B各個(gè)量子阱中都表現(xiàn)出較高的輻射復(fù)合率。圖4展示了3種不同結(jié)構(gòu)的GaN基LED在不同電流密度下的光輸出功率，在350 A/cm2電流密度下，結(jié)構(gòu)A的光輸出功率是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的1.5倍，結(jié)構(gòu)B的光輸出功率是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的3倍，進(jìn)一步驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)B設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。

圖3 在350 A/cm2下3種結(jié)構(gòu)輻射復(fù)合率分布

圖4 3種結(jié)構(gòu)的光輸出功率與注入電流密度的關(guān)系

3 結(jié)論

當(dāng)GaN基LED使用鋸齒形EBL和齒形InGaN/GaN勢(shì)壘時(shí)，將帶來(lái)高的空穴注入效率和低的電子泄漏效應(yīng)，且載流子被限制在有源區(qū)內(nèi)讓其充分參與輻射復(fù)合。該結(jié)構(gòu)的GaN基 LED內(nèi)部輻射復(fù)合率和光輸出功率顯著提高，說(shuō)明了具有鋸齒形AlGaN EBL和齒形InGaN/GaN勢(shì)壘的GaN基LED具有卓越的光輸出表現(xiàn)。