吳月芳，郭偉玲，陳艷芳，雷 亮

(北京工業(yè)大學(xué) 光電子技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

量子阱寬度對藍(lán)光LED性能影響的研究

吳月芳，郭偉玲，陳艷芳，雷 亮

(北京工業(yè)大學(xué) 光電子技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jié)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(fā)光功率最高，但此時器件的波長位于橙色區(qū)域內(nèi)，并且此時器件的發(fā)光效率較低；在阱寬為2.5 nm～3.5 nm時，發(fā)光效率最大，且波長在藍(lán)光范圍內(nèi)；阱寬一定時，隨著電壓的增加光譜有一定的藍(lán)移現(xiàn)象。深入分析了發(fā)光效率及光譜變化的原因發(fā)現(xiàn)，束縛態(tài)能級的不同狀態(tài)是導(dǎo)致光譜發(fā)生藍(lán)移的原因，而俄歇復(fù)合的增強(qiáng)是導(dǎo)致器件效率下降的主要原因。

藍(lán)光LED；光電性能；器件仿真；量子阱

引言

近年來，發(fā)光二極管(LED)無論是在大面積全彩顯示還是在照明領(lǐng)域都承擔(dān)著重要的角色[1-4]。LED存在諸多優(yōu)勢，如：全固態(tài)發(fā)光、壽命長、高效節(jié)能、利于環(huán)保等[5-6]。量子阱結(jié)構(gòu)[7-9]是獲得高效半導(dǎo)體發(fā)光的一個重要方法，它能夠?qū)⑤d流子限制在阱內(nèi)而避免浪費(fèi)。因此，對量子阱藍(lán)光LED的研究具有重要意義。盡管藍(lán)光LED已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，但是對其發(fā)光機(jī)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(fā)光效率會隨著電流密度的增大而下降，其發(fā)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(lán)光LED光電性能的影響。

1 系統(tǒng)模型與方法

本文運(yùn)用silvaco TCAD軟件對量子阱藍(lán)光LED的光電性能進(jìn)行器件仿真模擬研究，進(jìn)而找到能夠使量子阱藍(lán)光LED的光電性能優(yōu)化的量子阱的寬度。量子阱藍(lán)光LED的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of device structure

在進(jìn)行器件仿真實(shí)驗(yàn)時，首先，我們將量子阱藍(lán)光LED器件看成是一個一維的結(jié)構(gòu)，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(shè)的前提下，我們進(jìn)行一維的量子阱藍(lán)光LED的器件仿真研究，通過改變量子阱的寬度來研究藍(lán)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(dǎo)體器件中某一點(diǎn)位置的電勢，ρ是這一點(diǎn)所在的空間電荷密度，ε為有機(jī)材料的相對介電常數(shù)。

電子的連續(xù)性方程和空穴的連續(xù)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(diǎn)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(lián)系，電子電流的表達(dá)式和空穴的電流表達(dá)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(qiáng)度，Dn和Dp分別為電子的擴(kuò)散系數(shù)和空穴的擴(kuò)散系數(shù)，通過愛因斯坦關(guān)系式與遷移率之間的聯(lián)系，我們可以得到公式(6)。

其中k為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度。

2 結(jié)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(jù)半導(dǎo)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(jìn)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(nèi)電場的影響,隨著阱寬增大到15nm，阱內(nèi)電場變化十分明顯，減小到原來的11%左右。根據(jù)半導(dǎo)體的漂移電流密度公式J=(nqμn+pqμp)E，結(jié)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(xiàn)象相對應(yīng)。

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(nèi)的電子濃度圖；(c)不同阱寬的器件的阱內(nèi)的空穴濃度圖；(d) 不同阱寬的器件的阱內(nèi)的場強(qiáng)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(fā)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(lán)光LED發(fā)光功率的影響。圖3(a)是阱寬為3nm、3.5nm、5nm、8nm時器件發(fā)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(fā)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(lán)光LED的發(fā)光光譜，發(fā)光光譜的峰值位于590nm左右，這個波段并不是在藍(lán)光波長范圍內(nèi)而是在橙色的發(fā)光波長范圍內(nèi)，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(fā)光效率隨著工作電壓的變化。我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)量子阱的寬度在2.5nm、3.5nm時，量子阱藍(lán)光LED的發(fā)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(lán)光LED的發(fā)光效率有下降的趨勢。因?yàn)樵诹孔于鍖挾仍黾拥臅r候，量子阱內(nèi)的束縛態(tài)能級的數(shù)量會隨著量子阱寬度的增加而增多，這樣就會導(dǎo)致器件內(nèi)部的俄歇復(fù)合[14-16]的幾率有所增加，而俄歇復(fù)合幾率的增加會導(dǎo)致量子阱藍(lán)光LED的發(fā)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(fā)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(lán)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(yīng)的波長范圍比較符合藍(lán)光波長的具體要求，在阱寬為4.5nm時不符合藍(lán)光波長的要求。這體現(xiàn)了量子阱藍(lán)光LED的尺寸效應(yīng)，即在阱寬較窄時，器件發(fā)出的光為藍(lán)光，隨著阱寬不斷增大，器件發(fā)出的光顏色波長也不斷增大。在阱寬較窄時，占據(jù)阱內(nèi)的高量子態(tài)的載流子相對較多，發(fā)生輻射復(fù)合時，相對應(yīng)放出的能量較多，此時發(fā)射光的波長會較短；在阱寬較大時，占據(jù)阱內(nèi)的低量子態(tài)的載流子會比較多，當(dāng)發(fā)生輻射復(fù)合時，釋放的能量相對比較少，這就導(dǎo)致發(fā)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(fā)光光譜中的曲線有藍(lán)移的情況出現(xiàn)。并且,隨著阱寬逐漸增加，光譜發(fā)生的藍(lán)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(yīng)引起的能帶彎曲現(xiàn)象，使得導(dǎo)帶中的能級降落到三角勢阱中，導(dǎo)帶底與價帶頂?shù)哪芗壊罱档停庾V的藍(lán)移程度較??；而當(dāng)阱寬增加到一定寬度時，阱內(nèi)束縛態(tài)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(dǎo)致量子阱藍(lán)光LED光譜藍(lán)移程度的增加。

圖7 單量子阱能帶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of single quantum well energy band structure

3 結(jié)論

對不同阱寬的藍(lán)光LED的I-V特性、光功率特性、效率特性、光譜特性等進(jìn)行了仿真研究。在阱寬為2 nm～3.5 nm時，發(fā)光效率最高，波長符合藍(lán)光要求；阱寬一定時，隨著電壓的增加光譜有一定的藍(lán)移現(xiàn)象；深入分析發(fā)光效率及光譜變化原因發(fā)現(xiàn)，束縛態(tài)能級的不同狀態(tài)是導(dǎo)致光譜發(fā)生藍(lán)移的原因，而俄歇復(fù)合的增強(qiáng)是導(dǎo)致器件效率下降的主要原因。綜合考慮以上各個因素，藍(lán)光LED量子阱的最優(yōu)寬度在2.5nm～3.5nm。藍(lán)光LED作為實(shí)現(xiàn)白光照明的關(guān)鍵，對其深入的研究可以促進(jìn)我國半導(dǎo)體照明的進(jìn)步和發(fā)展。

致謝：感謝北京工業(yè)大學(xué)在科研環(huán)境方面給予的支持。

[1] 劉恩科，朱秉升，羅晉生. 半導(dǎo)體物理學(xué)[J].第7版.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[2] 王聲學(xué), 吳廣寧, 蔣偉,等. LED原理及其照明應(yīng)用[J]. 燈與照明, 2006, 30(4):32-35.

[3] 羅貞禮. 中國LED照明產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展探析[J]. 新材料產(chǎn)業(yè), 2011(1):1-8.

[4] 劉木清. LED對照明學(xué)科的深遠(yuǎn)影響[J]. 照明工程學(xué)報(bào), 2014, 25(6):1-7.

[5] 王雅芳. LED封裝用透明環(huán)氧的抗紫外老化性能研究[J]. 北京電子科技學(xué)院學(xué)報(bào), 2010, 22(4):34-41.

[6] 林秀華, 林彥. LED照明新光源——光電科技的一朵奇葩[J]. 廈門科技,2010(4):26-28.

[7] 劉詩文, 郭霞, 艾偉偉,等. InGaN/GaN多量子阱藍(lán)光LED電學(xué)特性研究[J]. 半導(dǎo)體光電, 2006, 27(3):240-243.

[8] 李國斌, 陳常水, 劉頌豪. InxGa1-xN量子阱藍(lán)光LED光電特性與量子阱束縛態(tài)能級的關(guān)系[J]. 發(fā)光學(xué)報(bào), 2013, 34(7):911-917.

[9] 雷亮, 曾祥華, 范玉佩,等. GaN基藍(lán)光LED的多量子阱結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 光電子·激光, 2011(9):1326-1331.

[10] YANG Y, CAO X A, YAN C. Investigation of the Nonthermal Mechanism of Efficiency Rolloff in InGaN Light-Emitting Diodes[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2008, 55(7):1771-1775.

[11] SUN W, SHATALOV M, DENG J, et al. Efficiency droop in 245-247 nm AlGaN light-emitting diodes with continuous wave 2 mW output power[J]. Applied Physics Letters, 2010, 96(6):061102-061102-3.

[12] HIRAYAMA H, FUJIKAWA S, NOGUCHI N, et al. 222-282 nm AlGaN and InAlGaN-based deep-UV LEDs fabricated on high-quality AlN on sapphire[J]. Physica Status Solidi Applications & Materials, 2009, 206(6):1176-1182.

[13] KIOUPAKIS E, RINKE P, DELANEY K T, et al. Indirect Auger recombination as a cause of efficiency droop in nitride light-emitting diodes[J]. Applied Physics Letters, 2011, 98(16):161107-161107-3.

[14]裴風(fēng)麗, 陳炳若, 陳長清. GaN藍(lán)光LED電極接觸電阻的優(yōu)化[J]. 半導(dǎo)體光電, 2006, 27(6):742-744.

[15]SHEN Y C, MUELLER G O, WATANABE S, et al. Auger recombination in InGaN measured by photoluminescence[J]. Applied Physics Letters, 2007, 91(14):141101-141101-3.

[16] DELANEY K T, RINKE P, VAN d W C G. Auger recombination rates in nitrides from first principles[J]. Applied Physics Letters, 2009, 94(19):191109-191109-3.

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(xiàng)目(2015AA033304),16教師隊(duì)伍建設(shè)-青年拔尖項(xiàng)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