嚴(yán)啟榮，章 勇

（1. 廣東省理工職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣州 510500；2. 華南師范大學(xué)光電子材料與技術(shù)研究所，廣州 510631）

1 引言

近年來(lái)，由于氮化物白光發(fā)光二極管（LED）具有體積小、壽命長(zhǎng)、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，因此受到了極大的關(guān)注和發(fā)展。它被譽(yù)為繼白熾燈、熒光燈、氣體放電燈之后的第四代照明光源[1,2]。隨著白光LED技術(shù)的不斷發(fā)展，使得LED光源在照明領(lǐng)域中對(duì)顯色指數(shù)（CRI）的要求越來(lái)越高，特別是室內(nèi)照明，對(duì)顯色性要求更高，但是高顯色指數(shù)的白光LED技術(shù)依然存在不足，使之成為制約白光LED作為照明光源的首要障礙。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)對(duì)LED照明燈具的顯色性制定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，而中國(guó)的LED照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，也規(guī)定所有辦公室和賓館飯店LED燈的顯色指數(shù)必須在80以上?，F(xiàn)在市場(chǎng)上廣泛銷(xiāo)售的白光LED是藍(lán)光芯片激發(fā)YAG:Ce熒光粉產(chǎn)生黃光與部分沒(méi)有吸收的藍(lán)光耦合成白光發(fā)射[3]，在高色溫情況下，光效和顯色指數(shù)較高，但是在低色溫下，顯色指數(shù)就不太理想。特別是在色溫低于5 500 K時(shí)，顯色指數(shù)一般低于70。目前，實(shí)現(xiàn)高顯色性的白光LED封裝技術(shù)有四種：（1）RGB三基色芯片混色法[4]；（2）近紫外LED芯片激發(fā)RGB三色熒光粉[5]；（3）藍(lán)光LED芯片激發(fā)RG熒光粉[6]；（4）紅光LED補(bǔ)償法等[7]。但是，它們面臨著無(wú)機(jī)熒光粉光致轉(zhuǎn)換效率低、混色不均勻或芯片驅(qū)動(dòng)復(fù)雜和顯色性差等缺點(diǎn)[8,9]。最近，Mirhosseini等人通過(guò)模擬結(jié)果顯示基于雙藍(lán)光波長(zhǎng)芯片激發(fā)YAG:Ce熒光粉能夠在保持流明效率的同時(shí)得到高顯色指數(shù)的白光LED[10]。本文采用混合多量子阱結(jié)構(gòu)的GaN基雙藍(lán)光波長(zhǎng)芯片激發(fā)YAG:Ce熒光粉實(shí)現(xiàn)了高顯色性的白光LED[11~13]。

由于GaN基材料空穴有效質(zhì)量（1.1 m0）高于電子的有效質(zhì)量（0.2 m0），因此，電子就更容易穿越活性層進(jìn)入活性層頂部的量子阱層，甚至溢流出有源層進(jìn)入p-GaN層，相反，空穴就比較難達(dá)到活性層靠近n-GaN側(cè)的量子阱，這樣電子空穴在活性層中分布非常不均勻，導(dǎo)致電子空穴復(fù)合發(fā)光發(fā)生在靠近p-GaN側(cè)的幾個(gè)量子阱內(nèi)，David等人的光譜測(cè)量數(shù)據(jù)顯示GaN基多量子阱藍(lán)光LED電子空穴的復(fù)合區(qū)主要集中在靠近p-GaN側(cè)的量子阱內(nèi)[14]。為了提高載流子在活性區(qū)中的均勻分布，科學(xué)家們提出了各種方法，譬如：去掉p-AlGaN層并在活性層底部插入n-AlGaN層[15]，在量子阱中引入一層薄的應(yīng)力補(bǔ)償型AlGaN層[16]。

本文使用APSYS（Advanced Physical Models of Semiconductor Devices）[17]軟件對(duì)器件進(jìn)行模擬分析，通過(guò)研究不同活性層結(jié)構(gòu)的雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED的能帶圖、載流子濃度分布圖和發(fā)射光譜，進(jìn)一步探索實(shí)現(xiàn)光譜穩(wěn)定的雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED芯片的設(shè)計(jì)方法。

2 雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED結(jié)構(gòu)

在本實(shí)驗(yàn)中，雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED的結(jié)構(gòu)依次為2 μm的n-GaN層（摻雜濃度為4×1018cm-3）、若干個(gè)In0.18Ga0.82N/GaN量子阱和若干個(gè)In0.12Ga0.88N/GaN量子阱、15 nm的p-Al0.15Ga0.85N電子阻擋層（摻雜濃度5×1017cm-3）以及200 nm厚的p-GaN層（摻雜濃度5×1017cm-3）。所有量子阱的阱層和壘層厚度分別為3 nm和10 nm。

以下討論的五種雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED活性層結(jié)構(gòu)，如表1所示。結(jié)構(gòu)A：混合多量子阱的活性層依次為三個(gè)周期的In0.18Ga0.82N/GaN量子阱和三個(gè)周期的In0.12Ga0.88N/GaN量子阱。結(jié)構(gòu)B：活性層依次為兩個(gè)周期的In0.18Ga0.82N/GaN量子阱和三個(gè)周期的In0.12Ga0.88N/GaN量子阱。結(jié)構(gòu)C：活性層依次為三個(gè)周期的In0.18Ga0.82N/GaN量子阱和兩個(gè)周期的In0.12Ga0.88N/GaN量子阱。結(jié)構(gòu)D：活性層依次為兩個(gè)周期的In0.18Ga0.82N/GaN量子阱和兩個(gè)周期的In0.12Ga0.88N/GaN量子阱。結(jié)構(gòu)E：活性層為兩個(gè)周期交叉分布的In0.18Ga0.82N/GaN量子阱和In0.12Ga0.88N/GaN量子阱。

表1 五種雙藍(lán)光LED活性層結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)果與討論

不同結(jié)構(gòu)的雙藍(lán)光LED都有強(qiáng)度不一的雙藍(lán)光發(fā)射峰，峰值分別為440 nm和470 nm，是分別來(lái)自In0.12Ga0.88N/GaN量子阱和In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的發(fā)射。

3.1 五種雙藍(lán)光LED活性層結(jié)構(gòu)

3.1.1 結(jié)構(gòu)A

圖1 結(jié)構(gòu)A

圖1（a）和（b）分別表示結(jié)構(gòu)A在20 mA時(shí)的能帶圖、準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分布圖、載流子的分布情況以及發(fā)射光譜。大部分電子和空穴都聚集在靠近p-GaN的那個(gè)量子阱，而靠近n-GaN的量子阱的電子和空穴濃度都非常低。特別是第二、第四個(gè)量子阱（由n區(qū)到p區(qū)）的電子和空穴濃度幾乎為零。因此，由圖1（b）可知，In0.12Ga0.88N/GaN量子阱發(fā)出的藍(lán)紫光峰的峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于In0.18Ga0.82N/GaN量子阱發(fā)出的藍(lán)光峰的峰值。

3.1.2 結(jié)構(gòu)B

圖2（a）和（b）分別表示結(jié)構(gòu)B在20 mA時(shí)的能帶圖、準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分布圖、載流子的分布情況以及發(fā)射光譜。相對(duì)于結(jié)構(gòu)A，結(jié)構(gòu)B減少了一個(gè)In0.18Ga0.82N/GaN量子阱，這對(duì)雙藍(lán)光LED的載流子濃度分布并沒(méi)太大的影響。如圖2（a）所示，大部分電子和空穴依然聚集在最靠近p-GaN的那個(gè)量子阱，而靠近n-GaN的量子阱的電子和空穴濃度非常低。特別是第三個(gè)量子阱（由n區(qū)到p區(qū)）的電子和空穴濃度幾乎為零。因此，由圖2（b）可知，In0.12Ga0.88N/GaN量子阱發(fā)出的藍(lán)紫光峰的峰值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于In0.18Ga0.82N/GaN量子阱發(fā)出的藍(lán)光峰的峰值。

圖2 結(jié)構(gòu)B

3.1.3 結(jié)構(gòu)C

圖3（a）和（b）分別表示結(jié)構(gòu)C在20 mA時(shí)的能帶圖、準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分布圖、載流子的分布情況以及發(fā)射光譜。相對(duì)于結(jié)構(gòu)A，結(jié)構(gòu)C減少了一個(gè)In0.12Ga0.88N/GaN量子阱，也就是In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的個(gè)數(shù)比In0.12Ga0.88N/GaN量子阱的多，大部分電子和空穴依然聚集在最靠近p-GaN的那個(gè)量子阱。但是，由圖3（a）可發(fā)現(xiàn)，活性區(qū)內(nèi)In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的電子和空穴濃度比結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B的都有所增加，特別是活性層內(nèi)中間的那個(gè)量子阱。因此，In0.18Ga0.82N/GaN量子阱發(fā)出的藍(lán)光峰的峰值有所增強(qiáng)，但依然比不上In0.12Ga0.88N/GaN量子阱發(fā)出的藍(lán)紫光峰，如圖3（b）所示。

圖3 結(jié)構(gòu)C

3.1.4 結(jié)構(gòu)D

圖4（a）和（b）分別表示結(jié)構(gòu)D在20 mA時(shí)的能帶圖、準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分布圖、載流子的分布情況以及發(fā)射光譜。此結(jié)構(gòu)的藍(lán)紫光量子阱和藍(lán)光量子阱都分別比結(jié)構(gòu)A減少了一個(gè)，大部分電子和空穴依然聚集在最靠近p-GaN的那個(gè)量子阱，但是In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的載流子濃度明顯得到了提高。因此，由圖4（b）所示，相對(duì)于結(jié)構(gòu)A、B、C，In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的藍(lán)光峰得到了改善，但I(xiàn)n0.12Ga0.88N/GaN量子阱發(fā)出的藍(lán)紫光峰并沒(méi)有明顯減弱。

3.1.5 結(jié)構(gòu)E

圖5（a）和（b）分別表示結(jié)構(gòu)E在20 mA時(shí)的能帶圖、準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分布圖、載流子的分布情況以及發(fā)射光譜。

前四種結(jié)構(gòu)的大部分電子和空穴都聚集在最靠近p-GaN的那個(gè)In0.12Ga0.88N/GaN量子阱，而且發(fā)射光譜的藍(lán)紫光峰的峰值都遠(yuǎn)大于藍(lán)光峰。結(jié)構(gòu)E的效果卻不一致，如圖5（a）所示，大部分的載流子都聚集在最靠近p-GaN的那個(gè)In0.18Ga0.82N/GaN量子阱，只有小部分的載流子分布在靠近p-GaN的那個(gè)In0.12Ga0.88N/GaN量子阱，尤其是空穴。因此，藍(lán)光峰的峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于藍(lán)紫光峰，如圖5（b）所示。這是由于In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的勢(shì)壘深度大于In0.12Ga0.88N/GaN量子阱，而且In0.18Ga0.82N/GaN量子阱靠近了p-GaN層，大部分載流子都往最低勢(shì)壘阱運(yùn)動(dòng)。

圖4 結(jié)構(gòu)D

圖5 結(jié)構(gòu)E

通過(guò)以上五種結(jié)構(gòu)的分析，可知電子和空穴在各量子阱中分布不均衡，不能實(shí)現(xiàn)雙藍(lán)光均衡輻射，并存在電子過(guò)剩的現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)A、B、C的部分量子阱的載流子濃度幾乎為零，對(duì)發(fā)射光譜幾乎沒(méi)有貢獻(xiàn)，大部分載流子都聚集在最靠近p-GaN的那一個(gè)量子阱。在結(jié)構(gòu)E中，即使最靠近p-GaN的那個(gè)量子阱為In0.12Ga0.88N/GaN，但是當(dāng)In0.18Ga0.82N/GaN量子阱越靠近p-GaN，藍(lán)光峰的峰值就會(huì)增大，反之，其峰值就減弱。由此而知，只依靠改變活性層中的In0.12Ga0.88N/GaN和In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的數(shù)量或位置，難以獲得雙藍(lán)光均衡發(fā)射的光譜。

3.2 實(shí)現(xiàn)雙藍(lán)光平衡輻射的有源層結(jié)構(gòu)

基于以上五種結(jié)構(gòu)的分析，在結(jié)構(gòu)D的基礎(chǔ)上，改進(jìn)活性層的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)雙藍(lán)光平衡輻射。

3.2.1 n-AlGaN作為電子阻擋層的雙藍(lán)光活性層結(jié)構(gòu)

去掉p-AlGaN電子阻擋層，而在活性層與n-GaN之間引入15 nm的n-AlGaN層（摻雜濃度為1×1018cm-3），其他與結(jié)構(gòu)D一樣。

圖6 具有n-AlGaN層的雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED

圖6（a）和（b）分別表示具有n-AlGaN層的雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED在20 mA時(shí)的能帶圖、準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分布圖、載流子的分布情況以及發(fā)射光譜。隨著p-AlGaN的移去與n-AlGaN層的引入使混合多量子阱活性層中所有量子阱電子空穴分布變得均衡，而且還使得高In組分量子阱的總輻射復(fù)合率提高到與低In組分量子阱相當(dāng)。對(duì)于傳統(tǒng)具有p-AlGaN層的混合量子阱的LED，由于p-AlGaN的存在雖然起到阻擋電子溢出的作用，同時(shí)也阻擋了空穴從p-GaN層注入活性層，所以從圖4可以看出，具有p-AlGaN層LED的所有量子阱層的空穴濃度明顯低于電子的濃度，這樣就導(dǎo)致電子空穴在各個(gè)量子阱中不能平衡輻射，存在電子過(guò)剩的現(xiàn)象。隨著p-AlGaN層的移去和n-AlGaN層的引入有效地提高了空穴的注入能力，從圖6（a）與（b）可以看出，n-AlGaN層能有效改善電子空穴在混合量子阱活性區(qū)中的分布，從而實(shí)現(xiàn)雙藍(lán)光平衡輻射。

3.2.2 應(yīng)力補(bǔ)償型InGaN-AlGaN/GaN量子阱的雙藍(lán)光有源層結(jié)構(gòu)

圖7 具有AlGaN應(yīng)力補(bǔ)償層的雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED

圖7（a）和（b）分別表示具有AlGaN應(yīng)力補(bǔ)償層的雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED在20 mA時(shí)的能帶圖、準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分布圖、載流子的分布情況以及發(fā)射光譜。與結(jié)構(gòu)D相比，本結(jié)構(gòu)的藍(lán)光阱引入1 nm的應(yīng)力補(bǔ)償層Al0.12Ga0.88N，而藍(lán)紫光阱引入了1 nm的應(yīng)力補(bǔ)償層Al0.21Ga0.79N。即藍(lán)光量子阱活性區(qū)使用In0.18Ga0.82NAl0.12Ga0.88N/GaN量子阱結(jié)構(gòu)，而藍(lán)紫光量子阱活性區(qū)使用In0.12Ga0.88N-Al0.21Ga0.79N/GaN量子阱結(jié)構(gòu)。這種應(yīng)力補(bǔ)償型InGaN-AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)使InGaN量子阱的壓力得到張力層AlGaN的補(bǔ)償，形成了一種應(yīng)力平衡結(jié)構(gòu)，從而減少了應(yīng)變能和應(yīng)力失配位錯(cuò)密度。由于這種應(yīng)力補(bǔ)償型量子阱能夠有效地限制載流子，可以改善載流子在有源區(qū)內(nèi)的分布，使得載流子濃度的分布在藍(lán)紫光量子阱和藍(lán)光量子阱內(nèi)都比較均衡，特別是空穴濃度的分布，從而獲得雙藍(lán)光平衡輻射。

4 結(jié)論

通過(guò)分析比較不同活性層結(jié)構(gòu)的雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED的能帶圖、準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分布圖、載流子濃度分布圖以及發(fā)射光譜，結(jié)果表明只依靠改變活性層中的In0.12Ga0.88N/GaN和In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的數(shù)量或位置，難以使得電子空穴在混合多量子阱活性區(qū)中分布均衡，實(shí)現(xiàn)雙藍(lán)光均衡輻射。但是，隨著p-AlGaN層的移去和n-AlGaN層的引入，或在藍(lán)光阱引入應(yīng)力補(bǔ)償層AlGaN，能有效地實(shí)現(xiàn)雙藍(lán)光平衡輻射。

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