量子阱寬度對藍光LED性能影響的研究

吳月芳，郭偉玲，陳艷芳，雷 亮

(北京工業大學 光電子技術省部共建教育部重點實驗室，北京 100124)

量子阱寬度對藍光LED性能影響的研究

吳月芳，郭偉玲，陳艷芳，雷 亮

(北京工業大學 光電子技術省部共建教育部重點實驗室，北京 100124)

本文采用器件仿真的方法分析了量子阱寬度對于LED光電性能的影響。結果表明：隨著阱寬的增加，LED的電流密度變??；在阱寬為5 nm左右時，LED的發光功率最高，但此時器件的波長位于橙色區域內，并且此時器件的發光效率較低；在阱寬為2.5 nm～3.5 nm時，發光效率最大，且波長在藍光范圍內；阱寬一定時，隨著電壓的增加光譜有一定的藍移現象。深入分析了發光效率及光譜變化的原因發現，束縛態能級的不同狀態是導致光譜發生藍移的原因，而俄歇復合的增強是導致器件效率下降的主要原因。

藍光LED；光電性能；器件仿真；量子阱

引言

近年來，發光二極管(LED)無論是在大面積全彩顯示還是在照明領域都承擔著重要的角色[1-4]。LED存在諸多優勢，如：全固態發光、壽命長、高效節能、利于環保等[5-6]。量子阱結構[7-9]是獲得高效半導體發光的一個重要方法，它能夠將載流子限制在阱內而避免浪費。因此，對量子阱藍光LED的研究具有重要意義。盡管藍光LED已經產業化，但是對其發光機理的研究尚存在很多爭論。比如,在LED注入電流密度較大時，器件的發光效率會隨著電流密度的增大而下降，其發光效率會大幅下降[10-12]。一直以來，全世界科研工作者對效率急劇下降做了大量的研究性工作，并提出不同的理論模型及解釋。本文通過器件仿真的方法來研究量子阱寬度對藍光LED光電性能的影響。

1 系統模型與方法

本文運用silvaco TCAD軟件對量子阱藍光LED的光電性能進行器件仿真模擬研究，進而找到能夠使量子阱藍光LED的光電性能優化的量子阱的寬度。量子阱藍光LED的結構示意圖如圖1所示，從下到上依次為:底部的陰極歐姆接觸[13]；4.4 μm的n-GaN層(n型摻雜濃度為1×1018cm-3)、InGaN層；100 nm的p-Al0.2Ga0.8N層(p型摻雜濃度為7×1017cm-3)、0.5 μm的p-GaN層(p型摻雜濃度為1×1019cm-3)以及頂部的陽極歐姆接觸。

圖1 器件結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of device structure

在進行器件仿真實驗時，首先，我們將量子阱藍光LED器件看成是一個一維的結構，即只在厚度的方向上存在一定的變化，在另外的兩個方向都是均勻的。在這個假設的前提下，我們進行一維的量子阱藍光LED的器件仿真研究，通過改變量子阱的寬度來研究藍光LED的性能。模擬中遵循的基本方程為泊松方程，如公式(1)所示。

在公式(1)中，Ψ為半導體器件中某一點位置的電勢，ρ是這一點所在的空間電荷密度，ε為有機材料的相對介電常數。

電子的連續性方程和空穴的連續性方程分別如公式(2)、(3)所示。

在公式(2)、(3)中，n和p分別表示器件空間中的某一點電子的濃度和空穴的濃度，Jn和Jp分別表示器件中電子的電流密度和空穴的電流密度，q表示一個電子帶有的電量。以上提到的這些物理量與電子、空穴之間都存在著很重要的聯系，電子電流的表達式和空穴的電流表達式分別如公式(4)、(5)所示。

在公式(4)、(5)中，μn和μp分別為電子的遷移率和空穴的遷移率，E為電場強度，Dn和Dp分別為電子的擴散系數和空穴的擴散系數，通過愛因斯坦關系式與遷移率之間的聯系，我們可以得到公式(6)。

其中k為波爾茲曼常數，T為絕對溫度。

2 結果與討論

圖2(a)是不同量子阱寬度的I-U特性曲線。從圖2(a)中可以看出隨著量子阱寬度增加，電流密度有所下降。根據半導體的漂移電流密度公式J=(nqμn+pqμp)E可知，電流由載流子濃度及電場決定。我們進一步研究了在量子阱中載流子濃度隨量子阱寬度的變化，如圖2中的(b)、(c)所示。隨阱寬增大到15nm，電子濃度大約增加為原來的2.2倍，而空穴濃度大約增加為原來的1.3倍。圖2(d)為阱寬對于阱內電場的影響,隨著阱寬增大到15nm，阱內電場變化十分明顯，減小到原來的11%左右。根據半導體的漂移電流密度公式J=(nqμn+pqμp)E，結合電子濃度、空穴濃度以及電場在量子阱寬度為3nm、8nm、15nm時的變化，可知在這些變化中電場的變化對電流密度的變化起決定性作用，與圖2(a)中的現象相對應。

圖2 (a)不同阱寬的I-V特性曲線圖；(b)不同阱寬的器件的阱內的電子濃度圖；(c)不同阱寬的器件的阱內的空穴濃度圖；(d) 不同阱寬的器件的阱內的場強分布圖Fig.2 (a) I-V characteristic curves of devices with different quantum well widths;(b) the electron concentration in the wells of different well width devices; (c) the hole concentration in the well of different well width devices; (d) the field intensity distribution in the well of different well width devices

圖3 (a)不同量子阱寬度下的光功率曲線圖；(b) 阱寬5 nm時器件的發光光譜圖Fig.3 (a)optical power curves under different quantum well widths; (b) the luminescence spectra of the devices with a width of 5 nm

接下來，我們研究了阱寬對量子阱藍光LED發光功率的影響。圖3(a)是阱寬為3nm、3.5nm、5nm、8nm時器件發光功率圖。從圖中我們可以清楚地看出，在量子阱寬度為5nm時，器件的發光功率是最高的，量子阱的寬度大于或小于5nm的時候，器件的光功率都會有減小的趨勢。圖3(b)為量子阱寬度為5nm時的量子阱藍光LED的發光光譜，發光光譜的峰值位于590nm左右，這個波段并不是在藍光波長范圍內而是在橙色的發光波長范圍內，因而，5nm并不是最佳的量子阱寬度。

圖4為不同阱寬的器件發光效率隨著工作電壓的變化。我們可以發現，當量子阱的寬度在2.5nm、3.5nm時，量子阱藍光LED的發光效率不僅較大而且兩條光功率曲線的距離是比較接近的，隨著阱寬逐漸增加，量子阱藍光LED的發光效率有下降的趨勢。因為在量子阱寬度增加的時候，量子阱內的束縛態能級的數量會隨著量子阱寬度的增加而增多，這樣就會導致器件內部的俄歇復合[14-16]的幾率有所增加，而俄歇復合幾率的增加會導致量子阱藍光LED的發光效率降低。

圖4 不同量子阱寬度下的效率圖Fig.4 Efficiency of different quantum well widths

圖5 不同量子阱寬度下的發光光譜曲線(歸一化后)Fig.5 Luminescence spectra of different quantum well widths(after normalization)

圖5為歸一化后的不同阱寬的光功率譜密度曲線圖。藍光的波長范圍大概是在460nm到490nm左右，從圖中得出，阱寬在2.5nm、3.5nm時的光功率譜密度曲線所對應的波長范圍比較符合藍光波長的具體要求，在阱寬為4.5nm時不符合藍光波長的要求。這體現了量子阱藍光LED的尺寸效應，即在阱寬較窄時，器件發出的光為藍光，隨著阱寬不斷增大，器件發出的光顏色波長也不斷增大。在阱寬較窄時，占據阱內的高量子態的載流子相對較多，發生輻射復合時，相對應放出的能量較多，此時發射光的波長會較短；在阱寬較大時，占據阱內的低量子態的載流子會比較多，當發生輻射復合時，釋放的能量相對比較少，這就導致發射光的波長會比較長。

圖6(a)～(c)為阱寬分別為2nm、4nm和6nm時不同偏壓下歸一化后的光功率譜密度曲線圖。隨著電壓逐漸升高，發光光譜中的曲線有藍移的情況出現。并且,隨著阱寬逐漸增加，光譜發生的藍移程度存在著增加的趨勢。

圖6 量子阱阱寬為2 nm(a)、4 nm(b)、6 nm(c)時的光功率譜密度圖(歸一化后)Fig.6 Optical power spectra of quantum wells (a) 2 nm, (b) 4 nm, (c) 6 nm(after normalization)

圖7為單量子阱能帶圖。阱寬較窄時，由于器件中極化效應引起的能帶彎曲現象，使得導帶中的能級降落到三角勢阱中，導帶底與價帶頂的能級差降低，光譜的藍移程度較??；而當阱寬增加到一定寬度時，阱內束縛態高能級與低能級之間的能級差也會隨著阱寬的增大而不斷增大，這樣會導致量子阱藍光LED光譜藍移程度的增加。

圖7 單量子阱能帶結構示意圖Fig.7 Schematic diagram of single quantum well energy band structure

3 結論

對不同阱寬的藍光LED的I-V特性、光功率特性、效率特性、光譜特性等進行了仿真研究。在阱寬為2 nm～3.5 nm時，發光效率最高，波長符合藍光要求；阱寬一定時，隨著電壓的增加光譜有一定的藍移現象；深入分析發光效率及光譜變化原因發現，束縛態能級的不同狀態是導致光譜發生藍移的原因，而俄歇復合的增強是導致器件效率下降的主要原因。綜合考慮以上各個因素，藍光LED量子阱的最優寬度在2.5nm～3.5nm。藍光LED作為實現白光照明的關鍵，對其深入的研究可以促進我國半導體照明的進步和發展。

致謝：感謝北京工業大學在科研環境方面給予的支持。

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Effect of Quantum Well Width on the Performance of Blue LEDs

WU Yuefang, GUO Weiling, CHEN Yanfang, LEI Liang

(KeyLaboratoryofOpto-electionicsTechnology,MinistryofEducation,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

The blue light emitting diode (LED) with quantum well structure is studied by the method of device simulation. The results indicate: with the increases of the width of the quantum well, the turn-on voltage increases; when the well width is 5 nm, the largest brightness can be obtained, but the emission spectrum is in the orange region and the luminescent efficiency is low; the largest luminescent efficiency can be obtained when the well width is between 2.5 to 3.5 nm, and the emission spectrum is within the blue range; when the quantum well width is constant, the spectrum undergoes blue shift when with the bias voltage increases. We also analyzed the reasons of the lower efficiency and emission spectrum shift: the different states of the bound states are responsible for the blue shift of the spectra, and the enhancement of the Auger recombination is the main reason for the decrease of the device efficiency.

blue LED; optical electric characteristics; device simulation; quantum well

國家863資助項目(2015AA033304),16教師隊伍建設-青年拔尖項目(市級)(2000543116503)

郭偉玲，E-mail:guoweiling@bjut.edu.cn

TN312.8

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10.3969/j.issn.1004-440X.2017.01.002