GaN基LED光电器件的垒层研究与设计*

姚惠林，宋丽君，路 纲，陈朝辉，王 波

（洛阳理工学院电气工程与自动化学院，洛阳 471023）

近年来，半导体LED市场及其前景被许多国家所关注，各国都纷纷制定相应的LED发展计划。如2001年日本制定了“21世纪光计划”，2000年欧盟制定了“彩虹计划”，2002年中国台湾成立了“下一代光源新技术研发集团”。美国在2002年至2010年期间投入巨额资金开发半导体LED照明产品。2003年6月17日，我国由科技部组织的“国家半导体照明工程”正式启动。2009年初，为了推动中国LED产业的发展，降低能源消耗，中国科技部推出“十城万盏”半导体照明应用示范城市方案，该方案的实施将极大地推动中国LED产业的发展。特别是最近中国淘汰白炽灯计划的实施，也将极大地促进LED产业的发展。GaN基高亮度LED已成为光电子领域研究和产业的热点［1-3］。但是大功率LED目前还是不太成熟，特别是随着驱动电流的增加，LED的发光效率会逐渐降低，即“Efficiency Droop”现象。这一现象严重阻碍了LED的使用和推广。

针对GaN基LED存在的这一问题［1-6］，本文提出了一种新的器件制备方法：即在传统的U型GaN垒层中插入一层P型InGaN薄层，从而提高LED的光电效率，缓解效率下降的问题。

1 器件结构和制备过程

本论文中外延片的基本结构如图所示，外延片大致包括以下几个部分：蓝宝石衬底、缓冲层、u-GaN、n-GaN、多量子阱发光层、P型电子阻挡层（EBL）以及P型GaN层［7-8］。具体生长方法如下：

图1 三种LED器件的结构

在外延片生长之前是Bake+Coat：Bake的作用是利用高温去除反应腔内的挥发物质；Coat的作用是在石墨基座上生长一层GaN涂层，防止石墨基座中的挥发物造成污染。首先在100 mbar的气压，1 090°并通入氢气的条件下烘烤衬底300 s。然后在通入氮气氮化衬底120 s。接着在530°的条件下生长GaN缓冲层，缓冲层主要起到释放应力的作用。然后生长u-GaN，u型氮化镓分成3层来长，分别是 GaN0、GaN1和 GaN2，从 GaN0到 GaN2的生长速度逐渐增加，GaN0、GaN1、GaN2的生长压强分别是 650 mbar、400 mbar、250 mbar。接着生长多量子阱发光层，我们一共生长了6个周期的量子阱，每层垒的生长时间是180 s，大约10 nm，阱层的生长时间是110 s，厚度大约是3 nm。垒层的生长温度是830°，阱层的生长温度是730°，In的组分大约为16%。然后生长电子阻挡层，普通传统结构采用AlGaN作为电子阻挡层，AlGaN的厚度是20 nm，生长温度为960°。在本文所提出的新结构中，最后生长P型GaN，P-GaN层也分两层来生长。第1层厚度较薄，但是掺杂浓度高，第2层厚度较厚，但是掺杂浓度会低些。为了更有利于形成欧姆接触，我们还生长了两个周期的GaN/InGaN超晶格层。在生长发光层中的阱层和垒层时，为了增加In的并入，所用的载气为氮气，而其他层的生长都是用氢气做载气。采用氢气做载气生长GaN有利于减小外延层中［O］和［C］的浓度。传统的LED A直接采用U型的GaN做垒层；而LED B采用在U型GaN垒层中插入P型GaN的方法做垒层；LED C采用在U型GaN垒层中插入P型InGaN的方法做垒层。同时为了从理论上分析改进的垒层对器件性能的影响并加深对器件工作原理的理解，我们采用APSYS软件对器件中载流子分布、量子效率等进行了计算。APSYS软件利用有限元法在空间离散泊松方程、电流连续性方程、载流子输运方程和量子机制的波方程等方程，得到非线性方程组，然后用求解非线性方程组的方法，如牛顿迭代法进行迭代求解，从而得到LED器件的电学与光学特性。该软件不仅考虑了氮化物组件各层交接面的内建极化效应，还兼顾了载流子的自发辐射复合和缺陷所造成的SRH非辐射复合速率问题。在仿真精度高的基础之上，此软件还具有迭代稳定和计算速度高的特点。

2 结果与分析

图2是在20 mA的注入电流下，3个LED中空穴的分布情况。在传统的LED结构中，电子和空穴主要分布在最靠近P区的量子阱区域中。这种分布方式存在以下几个问题：首先，最后一个阱中的电子浓度太高，电子在电子阻挡层中的隧穿效应会非常明显，这种隧穿效应将恶化电子泄漏的问题；其次，由于电子主要集中在最后一个阱层中，电子的浓度会很高，俄歇复合会大大增加，从而降低LED的辐射复合速率［9-13］；最后，载流子主要分布在最后一个阱中，也不利于阱层的利用，浪费了工艺成本。从图2可以看出，在传统的GaN垒层中插入一层P型InGaN层，一方面能提高多量子阱中空穴的浓度，另一方面也使得空穴的分布更加均匀。

图2 LED器件在20 mA的注入电流下量子阱中空穴的分布情况

发光二极管是依靠载流子的辐射复合而发光的，这是一种双载流子复合发光过程。从图3可以发现，改进结构后的量子阱区域的辐射复合发光速率相对于传统结构提高了近20%，而这表明该样品的内量子效率变高了。采用插入层的方法后，量子阱和量子垒层的晶体质量都有所提高，位错缺陷的密度也有所减小。位错缺陷是一种非辐射复合中心，它能捕捉非平衡载流子从而减小辐射复合发光的效率。可以看到，有源区晶体质量的提高也能有效提升辐射复合的发光效率。

图3 3个器件中的辐射符合速率

如图4所示，在大电流下，传统结构的LED中存在很大的漏电问题，这些泄漏进P区的电子和P区未来得及注入量子阱中的空穴发生非辐射复合后会降低LED的发光效率。而在改进后的结构中，由于电子和空穴的分布更加均匀，电子波函数和空穴波函数的交叠更大，复合的速率更高，从而极大地缓解了如图4所示的漏电问题。

图4 三种LED器件的电子泄露情况

如图5（a）所示，改进结构后的垒层大大地缓解了“Efficiency Droop”的问题。另外，如图5（b）所示，改进结构后的LED在0～200 mA的范围内的发光功率都要大于传统结构的LED。很明显，本结构对于大功率LED的研制具有重要的意义。

图5 （a）LED的内量子效率和（b）发光功率

3 结论

本文采用在GaN垒层中插入P型材料的方法缓解了LED效率随驱动电流的上升而下降的问题，提高了器件的发光效率。从理论上分析LED效率提高的原因，发现是器件多量子阱中载流子浓度的提高导致辐射复合效率也随之增加，从而缓解了漏电问题并最终提升了LED的发光效率。

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姚惠林（1964-），男，湖北荆州人，洛阳理工学院电气工程与自动化系，副教授，主要研究自动化与光电子器件。