绿光LED有源区中极化自屏蔽效应的研究

李铁 王景芹 曹冠龙 王佳佳 张紫辉

摘要 设计了一种具有自屏蔽量子限制斯塔克效应（QCSE）的绿光LED。该器件主要是用沿极性面[0001]方向生长的InN组分渐变量子垒来替代传统的GaN量子垒，从而在量子垒的内部产生极化体电荷。该极化体电荷能够抵消由极化作用在异质结界面处产生的界面电荷，进而有效地屏蔽量子阱内所产生的内建极化电场。另外InN组分的提高，一定程度上降低了量子垒的势垒高度，促进了空穴注入有源区。因此，器件的光输出功率和外量子效率（EQE）均得到显著提升。

关 键 词 绿光LED;极化效应;QCSE;自屏蔽;外量子效率;组分渐变

中图分类号 TN312.8     文献标志码 A

Abstract This work investigates polarization self-screening effect for the multiple quantum wells of [0001] oriented InGaN/GaN green light-emitting diodes （LEDs）. The polarization self-screening multiple quantum wells have the quantum barriers with graded InN composition. Then， the polarization induced bulk charges can be generated in the proposed quantum barriers which can screen the polarization induced interface charges at quantum barrier/quantum well interfaces. Therefore， the polarization induced electric field in the quantum wells can be effectively screened. In addition， the reduced barrier height for the propose multiple quantum wells can simultaneously promote the hole transport in the active region. As a result， both the optical output power density and external quantum efficiency （EQE） for the proposed green LEDs have been significantly improved.

Key words green LED; polarization effect; QCSE; self-shielding; external quantum efficiency; graded composition

0 引言

镓氮基发光二极管具有较大的光谱可调范围、响应速度快、发光效率高、使用寿命长等优点。因此，在固态照明显示、便携式和车载照明系统等领域都有着广泛的应用[1]。近年来，虽然在可见光波段（380～780 nm）的蓝光和红光部分，固态照明产业都取得了长足的进步，但是绿光LED的发光效率问题却阻碍了固态照明的许多潜在性应用，并限制了整个系统效率的提升，这就是所谓的“Green Gap”效应。造成InGaN基LED的Green Gap效应主要包含以下几个方面的因素：首先器件生长过程中引起的线位错、晶格失配以及堆垛层错[2]等缺陷，这些缺陷有助于形成非辐射复合中心，从而影响LED器件的效率;另外，随着InN组分的提高，更高的内建电场所引起的更为严重的量子限制斯塔克效应（QCSE）同样是造成绿光LED内量子效率（IQE）降低的重要因素[3]。相比于蓝光LED，绿光LED通常具有较低的开启电流密度和较高的效率下降幅度。但是电流密度并不能作为评判效率下降的唯一标准，考虑其内部的物理原因，一个重要的参数就是量子阱内的实际载流子浓度。由于绿光LED中的QCSE比蓝光LED更为严重，较强的内建电场会引发更长的辐射复合寿命。因此，在相同的注入电流密度下，由于载流子的积累，绿光LED可能拥有比蓝光LED更高的载流子密度。然而较高的载流子密度可引起强烈的俄歇复合效应，则会加剧LED效率的下降。通常降低载流子的方法是增加量子阱的厚度和个数，然而由于晶格不匹配，增加量子阱的个数会造成空穴分布的严重局域化;增加量子阱的厚度将会产生更高的压应力，进而引起更大的内建电场。因此，解决量子阱内空穴的输运问题也就成为了解决效率下降现象的关键所在。如在n-GaN和多量子阱之间嵌入InGaN/GaN缓冲层来降低InGaN/GaN MQWs中的应力[4]、对LED晶圆施加外部拉应力以释放内部压应力[5]、设置渐变量子阱厚度结构[6]、制造非极性的有源区[7-8]等方法都对减缓量子限制斯塔克效应、提高绿光LED效率起到了积极的作用。

本文提出了一种具有极化自屏蔽功能的InGaN/GaN綠光LED多量子阱结构，通过对极性面[0001]方向上的InGaN量子垒中InN的组分实施渐变，在量子垒中产生极化体电荷，以屏蔽量子垒/量子阱界面处的极化面电荷，达到减小量子阱中极化电场强度的目的。此外，组分渐变量子垒结构中InN组分的提高，降低了量子垒的势垒高度，有利于提升器件内部空穴的输运机制。

1 物理模型和参数设置

如图1a）所示，为说明InN组分渐变量子垒中所产生的极化体电荷对极化电场的自屏蔽作用，设计了如下器件结构。对于参考器件LED A，电子注入层为4 μm的N型GaN，Si掺杂浓度为5×1018 cm-3。n-GaN层之上为In0.26Ga0.74N/GaN多量子阱结构，其中GaN量子垒QBi （i = 1，2，3，4，5，6），Si掺杂浓度为3×1017 cm-3，厚度为10 nm，量子阱厚度为4 nm。电子阻挡层（p-EBL）是Mg掺杂浓度为7×1017 cm-3，厚度为25 nm的Al0.2Ga0.8N薄层。随后是200 nm厚的p-GaN层作为空穴注入层，Mg掺杂浓度为7×1017 cm-3。最后是10 nm厚的p+-GaN层作为欧姆接触层。另外，器件台面的尺寸为350 × 350 μm2。LED S1、S2、S3与参考器件不同之处在于，其量子垒QBi（i = 2，3，4，5）的InN组分沿[0001]方向从0分别线性增加到4%、7%和10%。

在本文的物理模型中，将InGaN/GaN多量子阱异质结能带阶跃比设置为0.7∶0.3 [9]。同时，由于器件生长过程中因位错而引起的晶体弛豫现象，本文假设理论极化面电荷密度为40%[10]。俄歇复合系数、电子和空穴Shockley-Read-Hall（SRH）寿命分别设置为1 × 10-30 cm6s-1和43 ns [11]。本文利用Crosslight APSYS 中实现的一系列物理模型求解泊松方程和载流子连续性方程，从而计算求解出LED的光学和电气特性。模拟中所使用的其他材料参数可以在文献[12-13]中找到。

另外本文计算了不同器件量子阱/量子垒界面的极化诱导面电荷密度σs以及LED S1、S2和S3中InN组分渐变量子垒中的极化诱导体电荷密度ρb，并将具体数值展示在表1中。

2 结果与讨论

如图2所示，首先本文计算了参考器件LED A和LED S1、S2、S3的峰值发光波长随注入电流密度变化的曲线。在注入电流密度为5 A/cm2时，参考器件的峰值波长约为530 nm。而在相同的注入电流密度下，相比于参考器件LED S1、S2和S3的峰值波长出现了蓝移现象，且分别约为527 nm、526 nm和524 nm。LED S1、S2、S3峰值波长的蓝移主要是因为量子垒QBi（i = 2，3，4，5）InN组分的渐变，从而抑制了量子阱QW中所产生的极化电场。另外相比于注入电流密度为5 A/cm2时，由于参考器件LED A量子阱内具有最强的极化电场，随着注入电流密度的逐渐增加，在注入电流密度为40 A/cm2时参考器件LED A的峰值波长出现了约1.89%的偏移（Δλ≈10.1 nm）。而在相同的注入电流变化区间内，相比于LED A，LED S1和LED S2则出现了较小的峰值波长偏移，其值分别为1.65%（Δλ≈8.7 nm）和1.57%（Δλ≈8.3 nm）。LED S3则展现了最小的峰值波长偏移1.52%（Δλ≈8.0 nm）。这主要是随着量子垒内InN组分的增加，量子阱中的极化电场被进一步屏蔽所导致的。

另外，本文分别对不同注入电流密度区间的波长蓝移变化率进行了计算，并将具体数值展示在表2中。在低注入电流密度区间内（0 ～ 40 A/cm2），LED A的波长蓝移变化率为0.252 5 nm·A-1·cm2。在相同的注入电流变化区间内，LED S1、S2和S3则显示了较小的波长蓝移变化率，并且随着量子垒中InN组分的增加，量子阱中极化电场被逐步屏蔽，波长蓝移变化率逐渐减小。同时，在大注入电流密度区间内（170 ～ 340 A/cm2），LED A、S1、S2和S3的波长蓝移变化率与小注入电流密度区间内的波长蓝移变化率展现了相同的趋势。即由于量子垒中InN组分的增加屏蔽了量子阱中的极化电场，从而使波长蓝移变化率逐步减小。然而，如表2所示，大注入电流密度下不同器件的波长蓝移变化率是小于小注入电流密度下不同器件的波长蓝移变化率的。这主要是因为在大注入电流的情况下，大量的注入载流子能够对量子阱内的部分极化电场进行有效屏蔽，从而使大注入电流密度下的波长蓝移变化率得到降低。

进一步地，本文分别计算了LED A和LED S1、S2、S3平衡态下量子阱区域的电场。如图3所示，LED S1、S2和S3量子垒和量子阱的内的平衡态电场强度均低于LED A，且随着InN组分的提高，该平衡态电场则进一步降低，渐变量子垒InN组分最高的LED S3展现出了对于极化诱导电场最佳的屏蔽效果。

有关报道指出，具有周期性的异质结如多量子阱（MQWs）结构同样具有周期性电场，且量子阱内电场（Ew）和量子垒内电场（Eb）可分别表示为[14]：

式中：lb和lw分别表示量子阱和量子垒的厚度;εb和εw分别表示量子壘和量子阱的介电常数;Qnet表示净极化电荷密度。因此减小量子阱内电场强度Ew的一个方法就是减小量子垒内电场强度Eb和量子垒厚度lb的乘积。减小Eb·lb值一方面可以通过减小量子垒厚度实现，另一方面可以通过减小量子垒内电场强度实现。由式（2）可知，通过减小净极化电荷密度Qnet可以使得Eb值降低。另外，有报告指出[15]，量子垒内的极化诱导体电荷能够有效补偿部分异质结界面极化诱导面电荷，使净极化电荷密度Qnet降低，从而减小了量子垒内的电场强度Eb，进而降低了量子阱内的电场强度Ew。图3所示的随着量子垒内InN组分的提高而引起的量子阱内电场强度的逐渐降低，也正是随着量子垒内InN组分的提高内部极化诱导体电荷密度ρb得到了提高（如表1所示）所引起的。

限制绿光LED器件量子效率的因素除量子阱内较强的极化诱导电场外，较低的空穴注入率同样是影响器件性能的一个重要原因[16]。为了抑制MQWs区内的极化诱导电场，则对量子垒进行的Si掺杂，然而空穴的注入效率将会受到Si掺杂的负面影响。为此本文计算了LED A、S1、S2、S3 MQWs内在注入电流密度为35 A/cm2时的空穴分布。如图4所示，相比于参考器件LED A，当引用了InN组分渐变量子垒后，LED S1、S2、S3的空穴注入效率得到了显著的提高，大量的空穴从p-GaN层注入到了靠近n-GaN区的量子阱内，且LED S3具有最高的空穴浓度。这主要是因为当InN组分渐变量子垒替代了普通GaN量子垒后，LED S1、S2、S3的平均有效价带势垒高度降低所致。

最后，本文计算了所研究器件的外量子效率（EQE）和光功率，并将其展示于图5中。如图5所示，相比于参考器件，LED S1、S2和S3的EQE和光功率均有的显著提高，在注入电流密度为35 A/cm2时，LED S1、S2和S3的EQE分别提升了13.5%、17.0%和18.3%。这主要是因为通过将InN组分渐变的量子垒替代传统的GaN量子垒后，极化诱导电场的降低和空穴注入率的提升，从而引起了电子空穴辐射复合率的提高。另外，随着量子垒内平均InN组分的提高，相比于参考器件LED S1、S2和S3的EQE和光功率的提升幅度是逐渐增高的，这是因为量子垒内平均InN组分的提高将会进一步降低量子阱内电场强度Ew并提高空穴注入率，因此LED S3才展现了最好的器件性能。

3 总结

本文设计并介绍了一种具有极化自屏蔽效应的绿光发光二极管。通过将传统绿光LED的GaN量子垒替换为沿着其生长方向InN组分渐变的量子垒。由于InN组分的渐变，将在量子垒内部产生极化诱导体电荷，这种体电荷可以有效地补偿有源区异质结界面的极化诱导面电荷密度，从而降低量子阱内部的电场强度，有效抑制了量子限制斯塔克效应（QCSE）。另外，引入InN组分渐变量子垒后平均有效价带势垒高度得到了降低，促进了空穴注入到多量子阱中，增加了辐射复合率，从而有效提高了器件的外量子效率（EQE）和光功率性能。本工作所提出的InN组分渐变量子垒可以有效提升绿光LED的器件性能，是克服绿光发光二极管“Green Gap”的重要方法。

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[責任编辑    付    婷    田    丰]