氮極性AlGaN基隧道結深紫外LED

張源濤,鄧高強,孫 瑜

(吉林大學 電子科學與工程學院,長春 130012)

0 引 言

AlGaN(Aluminum Gallium Nitride)基深紫外LED(Light Emitting Diode)具有安全環保、體積小、壽命長、節能等諸多優勢,在殺菌消毒、生物醫學檢測、紫外線固化、工業光催化及照明等領域具有廣闊的應用前景[1-3]。但目前AlGaN基深紫外LED的發光效率較低,外量子效率大多在10%以下[4]。而限制AlGaN基深紫外LED發光效率的主要原因之一是高Al組分AlGaN材料的P型摻雜困難,使深紫外LED器件的空穴注入效率較低、串聯電阻較大[5-7]。已有研究表明,相比于目前廣泛應用的金屬極性AlGaN材料,氮極性AlGaN材料在深紫外LED制備方面具有潛力[8-9]。由于氮極性與金屬極性AlGaN基LED中極化電場的方向相反,從而有利于提升載流子向量子阱有源區的注入并增強有源區對載流子的限制[10]。同時,在Al組分漸變增加(從0～0.3)的氮極性AlGaN薄膜中可實現高濃度的三維空穴氣,空穴濃度達1×1018cm-3[11]。三維空穴氣的形成使組分漸變AlGaN層的價帶拉平、導帶提升,不僅有利于LED器件空穴的傳輸,還有助于抑制LED器件電子的泄漏[11]。Zhao等[12]研究結果表明,在氮極性AlGaN基深紫外LED(～279 nm)結構中引入組分漸變p-AlxGa1-xN(x=0.65～0.75)作為空穴提供層兼電子阻擋層,可有效提高空穴注入效率、增加LED器件峰值發光效率并顯著緩解LED器件在大電流下的效率下降(Efficiency droop)現象。

為進一步改善氮極性AlGaN基深紫外LED的光電特性,筆者在前期氮極性組分漸變AlGaN基深紫外LED結構基礎上,引入了n+-GaN/AlGaN/p+-GaN隧道結結構。利用半導體器件模擬軟件APSYS對該隧道結LED進行了光電特性的模擬仿真研究。半導體器件模擬軟件是器件物理研究的工具,具有效率高、節省資金的特點,并對發現新的物理現象及器件設計具有重要作用。因此,將半導體器件模擬相關知識融入到“半導體器件物理”課程中,能有效提升學生對半導體器件物理知識的理解和探索。

1 器件結構和仿真模型

圖1為APSYS模擬仿真中所構建的氮極性AlGaN基深紫外LED(～272 nm)器件的結構示意圖。其中圖1a為無隧道結參考LED器件的結構示意圖,稱該器件為LED-A。其件結構由3 μm硅摻雜濃度為5×1018cm-3的n-Al0.65Ga0.35N、5對Al0.65Ga0.35N(12 nm)/Al0.5Ga0.5N(2 nm)多量子阱(MQW:Multiple Quantum Well)有源區、100 nm沿生長方向Al組分由0.65向0.75漸變的p-AlxGa1-xN(Gradedp-AlxGa1-xN)和20 nm重摻的p+-GaN歐姆接觸層組成。LED-A各層結構位于藍寶石襯底(Sapphire substrate)上,其正、負電極分別設置在p+-GaN和n-Al0.65Ga0.35N表面,其橫向尺寸均為25 μm。隧道結LED器件的結構如圖1b所示。

圖1 模擬仿真中構建的有/無隧道結AlGaN基深紫外LED器件的結構示意圖

其在參考LED-A的基礎上引入了n+-GaN(50 nm)/Al0.4Ga0.6N(4 nm)/p+-GaN(50 nm)隧道結結構,n+-GaN中硅的摻雜濃度和p+-GaN中鎂的摻雜濃度分別為1×1020cm-3和4×1020cm-3。稱該隧道結LED為LED-B。除隧道結外,LED-B的其余結構及材料參數與LED-A相同。

模擬實驗中,肖克萊-瑞德-霍爾(SRH:Shockley-Read-Hall)復合壽命和俄歇復合系數分別設置為10 ns和1×10-30cm6/s[13-14],背景吸收系數和光提取效率分別設置為2 000 m-1和10%[15-16]。Alx1Ga1-x1N/Alx2Ga1-x2N異質結的導帶帶階(ΔEc)和價帶帶階(ΔEv)之比ΔEc/ΔEv設置為0.65/0.35?？紤]缺陷導致的極化電荷屏蔽效應,LED各層材料的極化因子設置為-0.4[17-18],負號表示各層材料的極性均為氮極性。實驗中應用的其他材料參數見文獻[19]。APSYS模擬軟件中涵蓋了全面的材料和器件物理模型,其基于這些模型能進行泊松方程和載流子連續性方程等物理方程的求解計算,從而得到模擬器件的光電特性。

2 模擬結果與分析

圖2為120 A/cm2電流密度下LED-A和LED-B在整個有源區內的電子濃度分布圖,其中x軸代表橫向距離,y軸代表縱向距離。圖2中通過不同的顏色代表不同位置處電子濃度的對數,即log[電子濃度],電子濃度單位為cm-3。從圖2可看出,LED-A和LED-B量子阱中的電子濃度峰值差異較小,均在1×1019cm-3附近。此外,LED-A量子阱中的電子在x軸0～50 μm范圍內具有較高濃度,而在x軸50～200 μm范圍內電子濃度快速降低,表明LED-A中的電子主要集中在正電極下方的量子阱中。對LED-B,可明顯看到量子阱中電子濃度沿橫向分布濃度差異較小,即LED-B中的電子不僅從正電極區域下方注入量子阱,還能沿橫向擴展注入量子阱有源區中,使電子在量子阱中的橫向分布更為均勻。

圖2 120 A/cm2電流密度下LED器件量子阱有源區中的電子濃度分布

同時,模擬得到了120 A/cm2電流密度下空穴在LED-A和LED-B中量子阱有源區內的濃度分布情況,如圖3所示。

從圖3可看出,空穴濃度在LED-A和LED-B中量子阱橫向的分布均勻性結果與電子濃度的分布結果相近。根據模擬結果,取點發現LED-A量子阱內的空穴濃度峰值為7.2×1018cm-3,而LED-B量子阱內的空穴濃度峰值為4.4×1018cm-3,低于LED-A的空穴濃度峰值。盡管LED-B的空穴濃度峰值僅為LED器件A的60%,但采用隧道結結構的LED-B在沿x軸方向上的空穴濃度分布更加均勻。從圖3還可看出,LED-A僅在x軸0～50 μm范圍內具有較高的空穴濃度,而結構B在沿x軸方向上始終維持著較高的空穴濃度,說明LED-B在整個有源區內部具有更高的空穴濃度,可為有源區的輻射復合過程提供更多的空穴。

載流子濃度在量子阱中橫向的分布情況能直接決定量子阱中電子-空穴對輻射復合率的橫向分布情況。圖4為120 A/cm2電流密度下LED-A和LED-B中量子阱有源區內電子-空穴對輻射復合率的分布圖。根據模擬結果,得到LED-A的輻射復合率峰值為1.19×1027cm-3·s-1,而LED-B的輻射復合率峰值為5.2×1026cm-3·s-1,約為LED-A的1/2。然而,LED-A的輻射復合僅局限在正電極下方0～50 μm區域內的量子阱中,而LED-B在器件量子阱的整個橫向區域內(0～200 μm)均存在較高的輻射復合率。這是因為LED-B在量子阱整個橫向區域具有較高濃度、較為均勻的電子和空穴分布,如圖2和圖3所示。因此,在深紫外LED器件中引入隧道結結構可以避免載流子在電極下方集中注入量子阱有源區,有利于改善LED的發光均勻性。需要注意的是,LED-A的電流主要在正電極下方集中注入,這會引起正電極下方量子阱區域積累高濃度的電子和空穴,過高濃度的空穴會增加俄歇復合率,不利于器件發光效率的提升。

圖5a和圖5b分別為LED-A和LED-B的內量子效率和光輸出功率曲線。從圖5中可看出,具有隧道結結構的LED-B的峰值內量子效率為61.3%,明顯高于無隧道結結構LED-A的55.8%。另外,LED-A的內量子效率隨電流密度增加下降的更明顯,其在600 A/cm2注入電流密度下的內量子效率為49.1%,內量子效率相比峰值效率下降了12.0%。而LED-B在600 A/cm2注入電流密度下的內量子效率為58.6%,內量子效率相比峰值效率僅下降4.4%,約為LED-A效率下降量的1/3。為此,通過APSYS軟件中所采用的內量子效率ηIQE的計算公式

圖5 LED-A和LED-B的內量子效率、光輸出功率和I-V特性曲線

(1)

對其進行研究,其中n為電子濃度,Irad=Bn2為輻射復合率,B為輻射復合率系數;Inonrad=An+Cn3為非輻射復合率,其中An為SRH復合率,A為SRH復合系數,Cn3為俄歇復合率,C為俄歇復合系數。通過式(1)可看出,俄歇復合率與載流子濃度的3次方成正比,其受載流子濃度變化的影響較大。LED-A正電極下方量子阱中較高濃度載流子的積聚會大幅增加俄歇復合率,使內量子效率偏低,尤其是在大電流密度下將產生較嚴重的內量子效率下降現象。對LED-B,其更強的電流擴展能力,使量子阱平面內的載流子濃度不易過高且更為均勻,可有效降低俄歇復合率,提升器件的內量子效率,并緩解器件在大電流密度下的效率下降。此外,從圖5a的光輸出功率密度曲線也可看出,LED-B的光輸出功率密度大于LED-A,且其輸出功率的差值隨電流密度的增加而逐漸增大,表明LED-B具有更好的發光特性。

圖5c為LED-A和LED-B的電流-電壓特性曲線?？梢钥闯鯨ED-B具有更低的開啟電壓(～6 V),約為LED-A開啟電壓(～12 V)的一半。并且LED-B的電流值隨電壓的增大而快速增加,說明LED-B具有更低的串聯電阻。假定器件尺寸均為200×200 μm2,則根據I-V特性曲線斜率計算出LED-A和LED-B的串聯電阻分別為166 Ω和71 Ω。LED-B更低的串聯電阻可有效降低器件工作時的產熱量,同時也有利于提高器件的功率效率。以上結果表明,隧道結的引入不僅提升了氮極性AlGaN基深紫外LED的發光效率,還有效降低了器件的開啟電壓。

3 結 語

筆者采用半導體器件模擬軟件APSYS,研究了帶有n+-GaN/Al0.4Ga0.6N/p+-GaN隧道結結構的氮極性AlGaN基深紫外LED的光電特性。研究結果表明,與無隧道結結構的參考LED相比,隧道結LED的電流擴展能力大大增強,有效避免了電子和空穴在正電極下方量子阱中的集中積聚,提高了載流子在量子阱平面內較為均勻的分布,降低了俄歇復合率,提升了器件的發光效率和開啟電壓。該研究結果對高性能氮化物深紫外LED器件的制備具有指導意義。半導體器件模擬軟件是器件物理研究的工具,具有高效率、節省資金的特點,并對發現新的物理現象及器件設計具有重要作用。如果學生在學習“半導體器件物理”課程的同時,加強對半導體器件模擬仿真的學習,將有助于對課程內容的深入掌握。