馮麗雅 路慧敏? 朱一帆 陳毅勇 于彤軍 王建萍

1) (北京科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院,北京 100083)

2) (北京大學(xué)物理學(xué)院,人工微結(jié)構(gòu)物理和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

為了提高AlGaN 基深紫外發(fā)光二極管(light emitting diode,LED)的內(nèi)量子效率(internal quantum efficiency,IQE),本文采用了基于InAlGaN/ AlGaN 超晶格的電子阻擋層(electron blocking layer,EBL)結(jié)構(gòu),結(jié)果表明與傳統(tǒng)的單層和雙層電子阻擋層結(jié)構(gòu)相比,超晶格EBL 結(jié)構(gòu)能夠有效提高LED 的內(nèi)量子效率.在此基礎(chǔ)上,本文提出了基于JAYA 智能算法的LED 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法,應(yīng)用該方法以最大化內(nèi)量子效率為目標(biāo),對(duì)InAlGaN/AlGaN 超晶格EBL 結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).結(jié)果表明,采用優(yōu)化超晶格EBL 結(jié)構(gòu)后電子泄露和空穴注入問(wèn)題都有所改善,在200 mA 電流注入時(shí)深紫外LED 的內(nèi)量子效率比采用單層結(jié)構(gòu)EBL 提高了41.2%.

1 引言

隨著半導(dǎo)體材料研究的深入及技術(shù)的成熟,半導(dǎo)體發(fā)光器件在深紫外波段的應(yīng)用不斷拓寬.基于AlGaN 材料的深紫外(deep ultraviolet,DUV)發(fā)光二極管(light emitting diode,LED)廣泛應(yīng)用于殺菌消毒、傳感、水質(zhì)凈化、醫(yī)學(xué)治療以及非視距通信等諸多領(lǐng)域[1-3].特別是在全球新型冠狀病毒(COVID-19)肆虐的當(dāng)下,研究人員已經(jīng)證明,波長(zhǎng)在280 nm 以下(UVC)的深紫外光可以在幾秒鐘內(nèi)有效滅活COVID-19[4-+],因而也受到了極大的關(guān)注和重視.然而,盡管材料和器件制備技術(shù)不斷提升,與成熟的InGaN 基可見(jiàn)光LED 相比,AlGaN 基深紫外LED 的廣泛應(yīng)用仍存在許多需要克服的困難,特別是外量子效率(external quantum efficiency,EQE)明顯偏低帶來(lái)的輻射功率過(guò)小的問(wèn)題.因此,深紫外LED 效率提升方法的研究對(duì)其在各領(lǐng)域應(yīng)用前景具有至關(guān)重要的作用,近年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注.

AlGaN 基深紫外LED 的外量子效率提升可以通過(guò)內(nèi)量子效率(internal quantum efficiency,IQE)和光提取效率(light extraction efficiency,LEE)改善來(lái)實(shí)現(xiàn),其中內(nèi)量子效率取決于載流子有效注入到有源區(qū)以及在有源區(qū)產(chǎn)生輻射復(fù)合的情況.除了提高LED 外延質(zhì)量外,可以通過(guò)在有源區(qū)和P 型區(qū)之間增設(shè)電子阻擋層(electron blocking layer,EBL)改善載流子注入情況提升內(nèi)量子效率.具體來(lái)說(shuō),在提高電子注入效率方面,可通過(guò)對(duì)EBL 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),增大其對(duì)電子向P 型區(qū)輸運(yùn)時(shí)的阻擋作用,以此來(lái)抑制電子泄漏.2010年,Hirayama 等[8]報(bào)道了多量子勢(shì)壘(multiple quantum barrier,MQB)EBL 的使用,通過(guò)與傳統(tǒng)的單層的EBL 結(jié)構(gòu)對(duì)比分析可知,增強(qiáng)的EBL 有效勢(shì)壘高度抑制了電子泄漏.在提高空穴注入效率方面,一些學(xué)者嘗試修改有源區(qū)最后一層量子壘的材料為InAlGaN,通過(guò)設(shè)定合理的ln 組分,與原有的EBL 共同組成了雙層的InAlGaN/AlGaN 結(jié)構(gòu),從而提高空穴輸運(yùn)[9,10].此外,國(guó)內(nèi)外的學(xué)者們也提出了一些新的改進(jìn)方法,有部分學(xué)者提出梯度EBL 結(jié)構(gòu),通過(guò)梯度的設(shè)定EBL 中的Al 組分,形成漸變的空穴儲(chǔ)層,有效的調(diào)控電子泄漏勢(shì)壘[11,12];在此基礎(chǔ)上,更有學(xué)者提出梯度超晶格EBL 結(jié)構(gòu),使得梯度的EBL 呈現(xiàn)周期性的變化,有效減少了極化電荷和晶格失配的現(xiàn)象[13].上述研究主要涉及了EBL 中Al 組分和ln 組分選擇,通過(guò)控制變量的方式動(dòng)態(tài)改變參數(shù)確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)的形式過(guò)于單一,且因?yàn)閰?shù)選擇范圍和組合方式個(gè)數(shù)有限,不能充分考慮多個(gè)影響因素之間內(nèi)在的制約關(guān)系,無(wú)法確定最優(yōu)的參數(shù)組合,上述方式在結(jié)構(gòu)優(yōu)化上具有很大的局限性.近年來(lái),諸如粒子群算法、遺傳算法、模擬退火算法、JAYA 算法等智能優(yōu)化算法在光子器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中起到了關(guān)鍵作用.相較于其他啟發(fā)式算法,JAYA 算法[14]具有簡(jiǎn)單高效、收斂快、尋優(yōu)強(qiáng)并且不需要任何特定于算法的超參數(shù)的特點(diǎn),因此近年來(lái)已被應(yīng)用在許多不同的組合優(yōu)化問(wèn)題上[15,16].該項(xiàng)研究中,針對(duì)AlGaN 基深紫外LED 的EBL 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引入智能優(yōu)化算法,打破了目前結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究瓶頸,有望最大化載流子注入過(guò)程改善,進(jìn)一步提升內(nèi)量子效率.

本文針對(duì)AlGaN 基深紫外LED,通過(guò)與傳統(tǒng)單層或雙層EBL 內(nèi)量子效率結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,采用了效果最優(yōu)的InAlGaN/AlGaN 超晶格的EBL 結(jié)構(gòu).在此基礎(chǔ)上,本文提出了基于JAYA 智能算法的EBL 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法,即對(duì)超晶格EBL 中的Al 組分、ln 組分以及厚度等多個(gè)關(guān)鍵的影響參數(shù)同時(shí)進(jìn)行智能尋優(yōu),相較于簡(jiǎn)單的參數(shù)掃描,該方法可根據(jù)算法的核心公式,綜合考慮不同影響因子的作用,優(yōu)化內(nèi)容更加豐富;且對(duì)參數(shù)智能的更新迭代能夠使得各個(gè)影響因子更快的趨近于最優(yōu)值,優(yōu)化過(guò)程更加科學(xué)、高效.該方法將能夠得到最大LED 內(nèi)量子效率作為優(yōu)化目標(biāo),智能化搜索對(duì)應(yīng)目標(biāo)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合,進(jìn)而對(duì)InAlGaN/AlGaN超晶格EBL 結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以最大化該結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)量子效率的提升作用.該項(xiàng)研究中,通過(guò)對(duì)采用優(yōu)化和未優(yōu)化EBL 結(jié)構(gòu)的深紫外LED 的光電子學(xué)特性分析,驗(yàn)證了該方法的有效性.

2 研究方法

采用基于InAlGaN/AlGaN 超晶格和傳統(tǒng)單層/雙層EBL 的AlGaN 基深紫外LED 結(jié)構(gòu)如圖1所示.其中結(jié)構(gòu)A(圖中表示為Structure A)是一種參考結(jié)構(gòu),藍(lán)寶石上的外延層由2.2 μm 的AlN緩沖層、2 μm 的n-Al0.56Ga0.44N 接觸層(Si 摻雜濃度為5×1018cm—3)以及5 對(duì)Al0.45Ga0.55N(3 nm)/Al0.56Ga0.44N(12 nm)多量子阱(MQW)、25 nm 厚的Al0.60Ga0.40N EBL、50 nm 厚的p-Al0.40Ga0.60N和p-GaN 接觸層(Mg 摻雜濃度2×1019cm—3)組成.除了EBL 部分之外,結(jié)構(gòu)B(表示為Structure B)和結(jié)構(gòu)C(表示為Structure C)與Structure A都相同,圖中進(jìn)一步給出了結(jié)構(gòu)B 和C 的EBL 具體結(jié)構(gòu).結(jié)構(gòu)B 同樣也作為參考結(jié)構(gòu),其EBL 由20 nm 厚的Al0.60Ga0.40N 和5 nm 厚的In0.09Al0.60Ga0.31N 兩層組成,而本文采用的結(jié)構(gòu)C 的EBL結(jié)構(gòu)則包括五周期的In0.09Al0.60Ga0.31N(3 nm)/Al0.60Ga0.40N(2 nm)超晶格層組成.為了便于特性比較,結(jié)構(gòu)A、結(jié)構(gòu)B 和結(jié)構(gòu)C 中的EBL 厚度為25 nm,LED 橫截面積均為300 μm×300 μm.

圖1 AlGaN 基DUV LED 結(jié)構(gòu)示意圖(左)和結(jié)構(gòu)A(單層EBL)、B(雙層EBL)、C(超晶格結(jié)構(gòu)EBL)(右)Fig.1.Structure diagram of AlGaN based DUV LED(left)and Structure A (single layer EBL),B (double-layer EBL),C (superlattice structure EBL)(right).

本文對(duì)采用不同EBL 結(jié)構(gòu)的AlGaN 基深紫外LED 的光電子學(xué)特性以及內(nèi)量子效率進(jìn)行仿真分析,主要使用包括泊松方程、漂移擴(kuò)散傳輸方程和薛定諤方程等在內(nèi)的經(jīng)典模型[17].此外,本文使用能充分體現(xiàn)LED 內(nèi)部物理機(jī)制的APSYS 專業(yè)仿真工具,從半導(dǎo)體器件的電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)屬性出發(fā),以有限元分析方法為基礎(chǔ),通過(guò)對(duì)器件內(nèi)部物理過(guò)程進(jìn)行2D/3D 建模,對(duì)平衡態(tài)與非平衡態(tài)下的能帶結(jié)構(gòu)、載流子輸運(yùn)和量子力學(xué)效應(yīng)的仿真計(jì)算,實(shí)現(xiàn)對(duì)深紫外LED 的光電子學(xué)特性和效率的分析.其中內(nèi)量子效率充分考慮了泄漏電流的影響,定義為量子阱內(nèi)輻射復(fù)合對(duì)應(yīng)電流Irad占總電流I的百分比:

即總電流除了輻射復(fù)合對(duì)應(yīng)的電流,也包括SRH復(fù)合電流ISRH和俄歇復(fù)合電流IAuger,以及載流子輻射復(fù)合飽和引起的泄露電流Ileak.隨著注入電流的增大載流子復(fù)合輻射飽和現(xiàn)象加劇,泄露電流占總電流的比例增大,導(dǎo)致內(nèi)量子效率驟降的現(xiàn)象.此外,輻射和非輻射復(fù)合對(duì)應(yīng)的電流可進(jìn)一步表示成:

其中n為載流子濃度,q為電子電荷,V為量子阱有效體積,A為SRH 復(fù)合系數(shù),B為輻射復(fù)合系數(shù),C為俄歇復(fù)合系數(shù).可以得知隨著注入電流的增大,具有更大的增速,和泄露電流一同會(huì)引起內(nèi)量子效率的下降.本文中所采用的參數(shù)均為常用值,其中帶偏移比設(shè)置為0.7/0.3[18],俄歇復(fù)合系數(shù)和SRH 復(fù)合壽命分別設(shè)置為1.0×10—30cm6/s 和10 ns[19],工作溫度為300 K[20],其他參數(shù)和模型可在先前的研究中找到[21-23].

為進(jìn)一步提升AlGaN 基深紫外LED 的內(nèi)量子效率,針對(duì)結(jié)構(gòu)C 所采用的InAlGaN/AlGaN超晶格EBL 結(jié)構(gòu),本文提出一種基于智能優(yōu)化的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)超晶格EBL 結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,該方法包括性能計(jì)算、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)收集3 個(gè)模塊.其中性能計(jì)算模塊能夠采用專業(yè)仿真軟件APSYS 計(jì)算不同EBL 結(jié)構(gòu)參數(shù)深紫外LED 的內(nèi)量子效率.數(shù)據(jù)處理模塊以智能優(yōu)化算法為核心,以得到最優(yōu)的內(nèi)量子效率為目標(biāo),針對(duì)需要優(yōu)化的EBL 結(jié)構(gòu)搜索能夠?qū)崿F(xiàn)此目標(biāo)的最佳參數(shù)組合,采用的JAYA 優(yōu)化算法基本公式如下:

其中i,k,j分別代表優(yōu)化過(guò)程迭代的次數(shù)(i≤20),隨機(jī)生成的參數(shù)組序號(hào)和參數(shù)組中某個(gè)參數(shù)序號(hào).表示迭代第i次時(shí),第k組參數(shù)中的第j個(gè)參數(shù),分別表示第i代的所有參數(shù)組中的能使得目標(biāo)值最大和最小的第j個(gè)參數(shù),r1和r2控制縮放大小,取值在[0,1]之間.數(shù)據(jù)收集模塊將計(jì)算部分得到的結(jié)構(gòu)和效率結(jié)果按照指定格式存入數(shù)據(jù)庫(kù)中,便于數(shù)據(jù)處理部分的調(diào)用,本文通過(guò)利用數(shù)據(jù)分析相關(guān)工具,將性能分析和數(shù)據(jù)處理模塊生成的數(shù)據(jù)集按照指定的格式存入指定的數(shù)據(jù)文件中.基于以上方法,本文給出了面向最大化AlGaN 基深紫外LED 內(nèi)量子效率的InAlGaN/AlGaN 超晶格EBL 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的仿真實(shí)現(xiàn),其偽代碼如Algorithm 1 所示.

本文采用如上給出的基于JAYA 算法的智能優(yōu)化方法和相應(yīng)的代碼程序,對(duì)InAlGaN/AlGaN超晶格EBL 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),其中JAYA 優(yōu)化算法中設(shè)定的每代參數(shù)組數(shù)量大小為4 個(gè),迭代次數(shù)為20 次.針對(duì)InAlGaN/AlGaN 超晶格EBL結(jié)構(gòu),選取量子壘的Al 組分QB_x、厚度QB_d以及量子阱的Al 組分QW_x、厚度QW_d和量子阱的ln 組分y作為待優(yōu)化的關(guān)鍵參數(shù),其優(yōu)化起始值依次為min_values:(0.5,0.001,0.1,0.001,0.001),終止值依次為max_values:(0.9,0.005,0.5,0.005,0.1),其中厚度對(duì)應(yīng)的參數(shù)單位為μm.根據(jù)本文給出的EBL 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法,以100 mA 處對(duì)應(yīng)IQE 的值為優(yōu)化目標(biāo),首先在給定范圍內(nèi)隨機(jī)初始化4 組結(jié)構(gòu)參數(shù),通過(guò)在數(shù)據(jù)庫(kù)中直接搜索或者調(diào)用APSYS 進(jìn)行仿真計(jì)算得到每個(gè)參數(shù)組合對(duì)應(yīng)的IQE 結(jié)果,根據(jù)當(dāng)前結(jié)構(gòu)參數(shù)得到的IQE結(jié)果和算法規(guī)則不斷地更新結(jié)構(gòu)參數(shù),直到滿足迭代截止條件,從而得到給定優(yōu)化范圍內(nèi)使AlGaN基深紫外LED 內(nèi)量子效率最大的EBL 結(jié)構(gòu)參數(shù).

3 結(jié)果與討論

本文首先對(duì)圖1 中3 種不同EBL 結(jié)構(gòu)的AlGaN基深紫外LED 的內(nèi)量子效率進(jìn)行分析,通過(guò)計(jì)算得到的內(nèi)量子效率隨電流密度變化的曲線如圖2所示.由圖2 可以看出,不同的EBL 結(jié)構(gòu)對(duì)深紫外LED 的IQE 曲線表現(xiàn)出不同的影響效果,采用InAlGaN/AlGaN 超晶格時(shí),深紫外LED 的內(nèi)量子效率明顯優(yōu)于采用單層結(jié)構(gòu)和雙層結(jié)構(gòu)時(shí)的結(jié)果.從圖2 可以得知,結(jié)構(gòu)A 和結(jié)構(gòu)B 的內(nèi)量子效率的最大值分別約為0.34 和0.32,而結(jié)構(gòu)C 達(dá)到0.41,相比于結(jié)構(gòu)A 和結(jié)構(gòu)B,結(jié)構(gòu)C 分別提高了20%和28%.盡管結(jié)構(gòu)B 采用了相對(duì)復(fù)雜的雙層結(jié)構(gòu)EBL,并且具有和結(jié)構(gòu)C 中EBL 相同的組分大小,卻沒(méi)有表現(xiàn)出比傳統(tǒng)單層結(jié)構(gòu)更好的性能,由此可以看出,采用不同的EBL 結(jié)構(gòu)和參數(shù)對(duì)AlGaN 基深紫外LED 的內(nèi)量子效率的變化起著至關(guān)重要的作用.

圖2 不同EBL 結(jié)構(gòu)AlGaN 基深紫外LED 內(nèi)量子效率隨電流密度變化曲線Fig.2.Variation curves of internal quantum efficiency with current density in AlGaN based DUV LED with different EBL structures.

基于上文采用的InAlGaN/AlGaN 超晶格EBL結(jié)構(gòu),該項(xiàng)研究中通過(guò)對(duì)超晶格EBL 結(jié)構(gòu)參數(shù)的掃描分析,給出了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)應(yīng)的深紫外LED的內(nèi)量子效率曲線,如圖3 所示.仿真計(jì)算過(guò)程中,采用控制變量的方法,即保持結(jié)構(gòu)中其他參數(shù)一致,分別調(diào)整關(guān)鍵的影響因子,包括超晶格EBL壘層的Al 組分和厚度QB_x、QB_d,阱層的Al 組分和厚度QW_x、QW_d以及阱層中l(wèi)n 組分y的大小,并分別對(duì)比每個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化時(shí)IQE 曲線,旨在從中觀察各個(gè)影響因子對(duì)IQE 曲線的影響效果并總結(jié)其影響規(guī)律.其中圖3(a)給出了超晶格壘層Al 組分分別設(shè)定為0.60,0.65 和0.70 時(shí)內(nèi)量子效率隨電流密度變化的結(jié)果,可以看出當(dāng)壘層Al 組分增大時(shí)IQE 的最大值不斷增大.類(lèi)似地,從圖3(b)給出的不同超晶格阱層Al 組分的IQE 曲線可以看出,阱層Al 組分的增大也有利于內(nèi)量子效率的提升.反觀圖3(c)和(d),當(dāng)壘層或阱層厚度逐漸增大時(shí),IQE 曲線同樣會(huì)得到改善,但相比于Al組分變化的影響效果沒(méi)有特別顯著.圖3(e)中,將量子阱摻ln 的大小y分別設(shè)定為y1=0.01,y2=0.05 和y3=0.09,可以看出ln 組分的不斷增大會(huì)導(dǎo)致IQE 的最大值逐漸變小,而且In組分越高效率驟降現(xiàn)象越明顯.綜上所述,如上分析的InAlGaN/AlGaN 超晶格EBL 結(jié)構(gòu)的5 個(gè)影響因子對(duì)IQE曲線都體現(xiàn)出了不同程度的影響效果,但如果要兼顧各影響因子的作用實(shí)現(xiàn)IQE 最大化,則需要聯(lián)合調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù),這很難通過(guò)簡(jiǎn)單的參數(shù)掃描來(lái)完成.

圖3 InAlGaN/AlGaN 超晶格EBL 結(jié)構(gòu)參數(shù)不同時(shí)IQE 曲線結(jié)果對(duì)比圖 (a)量子壘的Al 組分QB_x;(b)量子阱的Al 組分QW_x;(c)量子壘的厚度QB_d;(d) 量子阱的厚度QW_d;(e) 量子阱摻ln 的大小yFig.3.Comparison of IQE curves results for InAlGaN/AlGaN superlattice EBL with different structural parameters: (a) Al component of quantum barrier QB_x;(b) Al component of quantum well QW_x;(c) thickness of quantum barrier QB_d;(d) thickness of quantum well QW_d;(e) ln component in quantum well y.

為突破AlGaN 基深紫外LED 的InAlGaN/AlGaN 超晶格EBL 參數(shù)掃描式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析的局限性,以進(jìn)一步提升內(nèi)量子效率,本文采用前面給出的基于JAYA 智能優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法,通過(guò)在合理的范圍內(nèi)不斷尋優(yōu)實(shí)現(xiàn)InAlGaN/AlGaN 超晶格EBL 結(jié)構(gòu)參數(shù)聯(lián)合優(yōu)化.最終獲得的超晶格參數(shù)組合(量子壘AlGaN 的Al 組分QB_x和厚度QB_d,量子阱InAlGaN 的Al 組分QW_x、厚度QW_d和ln 組分的大小y)的優(yōu)化結(jié)果分別為(0.76,0.0040,0.45,0.0010,0.1),即EBL 由五周期的In0.1Al0.45Ga0.45N(1 nm)/Al0.76Ga0.24N(4 nm)超晶格層組成,其優(yōu)化的過(guò)程如圖4 所示.在圖4(a)中,量子壘的Al 組分QB_x呈現(xiàn)出先遞增后遞減的趨勢(shì),體現(xiàn)出優(yōu)化算法智能尋優(yōu)的過(guò)程.如圖4(b)和(c)所示,量子阱的Al 組分大小QW_x和量子壘厚度QB_d的變化趨勢(shì)是符合單個(gè)因素掃描分析時(shí)單調(diào)遞增的趨勢(shì)的.考慮到量子壘和量子阱之間的組分和厚度的影響,在圖4(d)中,量子阱的厚度QW_d優(yōu)化曲線出現(xiàn)震蕩變化的趨勢(shì).與一般因素分析時(shí)不同的是,圖4(e)表明,量子阱在摻ln 組分為0.1 時(shí),和前面的參數(shù)組合體現(xiàn)出了更好的性能.如圖4(f),優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)在100 mA 處IQE的值進(jìn)一步提高到了0.48.由此可見(jiàn),各個(gè)參數(shù)之間有明顯的約束關(guān)系,很好的體現(xiàn)了本文所提出應(yīng)用智能優(yōu)化設(shè)計(jì)EBL 結(jié)構(gòu)的意義所在.

圖4 InAlGaN/AlGaN 超晶格EBL 結(jié)構(gòu)參數(shù)和IQE 隨優(yōu)化中迭代次數(shù)變化曲線: (a)量子壘的Al 組分QB_x;(b) 量子壘的厚度QB_d;(c)量子阱的Al 組分QW_x;(d)量子阱的厚度QW_d;(e)量子阱摻ln 的大小y;(f)內(nèi)量子效率IQEFig.4.Curves of EBL structure parameters and IQE for InAlGaN/AlGaN superlattice changing with iterations in optimization: (a)Al component of quantum barrier QB_x;(b)thickness of quantum barrier QB_d;(c) Al component of quantum wells QW_x;(d)thickness of quantum well QW_d;(e) ln component in quantum well y;(f)the internal quantum efficiency IQE.

為深入研究采用本文給出的優(yōu)化方法得到的InAlGaN/AlGaN 超晶格EBL 優(yōu)化結(jié)構(gòu)的合理性和有效性,本文對(duì)未優(yōu)化EBL 結(jié)構(gòu)(即Structure C)和采用優(yōu)化EBL 結(jié)構(gòu)(即Optimized structure)的AlGaN 基深紫外LED 的電學(xué)特性和光學(xué)特性進(jìn)行了具體的對(duì)比分析.其中圖5(a)和(b)分別顯示了注入電流為200 mA 時(shí),結(jié)構(gòu)C 和采用優(yōu)化EBL 結(jié)構(gòu)LED 的導(dǎo)帶和價(jià)帶的帶邊圖,其中橙色虛線表示準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí),橫坐標(biāo)表示外延結(jié)構(gòu)的具體位置.對(duì)于導(dǎo)帶,對(duì)比可以觀察到采用優(yōu)化EBL 結(jié)構(gòu)時(shí),有效勢(shì)壘高度從未優(yōu)化EBL 結(jié)構(gòu)的398 meV增大為534 meV,導(dǎo)帶費(fèi)米能級(jí)在EBL 和P 型區(qū)一側(cè)逐漸向遠(yuǎn)離帶邊的半導(dǎo)體內(nèi)部移動(dòng),即有利于減小泄露引起的分布在P 型區(qū)電子的幾率.而針對(duì)價(jià)帶,從圖中可以得出,結(jié)構(gòu)C 的有源區(qū)有效勢(shì)壘高度為397 meV,而采用優(yōu)化EBL 結(jié)構(gòu)后減小為343 meV,即空穴注入有望能夠得到改善并提升有源區(qū)的空穴分布幾率.因此,采用優(yōu)化的InAlGaN/AlGaN 超晶格EBL 結(jié)構(gòu)后,由于更高的電子有效勢(shì)壘高度和更低的空穴有效勢(shì)壘高度,AlGaN 基深紫外LED 有望在減小電子向P 型區(qū)泄露的同時(shí)增大空穴的注入.

圖5 采用不同EBL 結(jié)構(gòu)時(shí)AlGaN 基深紫外LED 的能帶圖 (a)結(jié)構(gòu)C;(b)優(yōu)化EBL 結(jié)構(gòu)Fig.5.Energy band diagram of AlGaN based DUV LED with different EBL structures: (a) Structure C;(b) optimized structure.

本文進(jìn)一步計(jì)算了EBL 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的AlGaN基深紫外LED 的電子和空穴的分布情況,以探索優(yōu)化EBL 結(jié)構(gòu)對(duì)載流子分布的作用效果.為方便對(duì)比,圖6(a)和(b)分別給出了在200 mA 電流下,采用未經(jīng)優(yōu)化和優(yōu)化EBL 時(shí)LED 的電子和空穴濃度分布情況分布,其中藍(lán)色虛線表示采用未優(yōu)化EBL 時(shí)LED 內(nèi)部的載流子濃度,紅色實(shí)線表示采用優(yōu)化EBL 結(jié)構(gòu)后LED 內(nèi)部的載流子濃度.從圖6(a)可以看出,采用優(yōu)化EBL 與結(jié)構(gòu)C 相比,深紫外LED 中電子濃度分布在EBL 區(qū)大幅度下降,即采用優(yōu)化EBL 結(jié)構(gòu)能夠明顯削弱電子的泄漏.而從圖6(b)可以看出,采用優(yōu)化EBL 結(jié)構(gòu)后深紫外LED 多量子阱有源區(qū)的空穴濃度明顯高于結(jié)構(gòu)C 的結(jié)果,除了EBL 有效空穴勢(shì)壘高度減小帶來(lái)的好處外,較少的電子泄漏也會(huì)使P 型區(qū)空穴的消耗較低,從而進(jìn)一步提升空穴的注入效率.這與前文中的機(jī)理分析相一致,也再一次證明了優(yōu)化EBL 結(jié)構(gòu)在抑制深紫外LED 電子泄漏和加強(qiáng)空穴注入兩方面發(fā)揮的有效作用.

圖6 采用不同EBL 結(jié)構(gòu)時(shí)AlGaN 基深紫外LED 的載流子濃度分布 (a)電子濃度;(b)空穴濃度Fig.6.Carrier concentration distribution of AlGaN based DUV LED with different EBL structures: (a) Electron concentration distribution;(b) hole concentration distribution.

基于載流子分布情況,本文還分析了采用優(yōu)化InAlGaN/AlGaN 超晶格EBL 結(jié)構(gòu)時(shí)深紫外LED 的發(fā)光特性,并與采用未經(jīng)優(yōu)化EBL 結(jié)構(gòu)C的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比.圖7(a)繪制了采用不同EBL結(jié)構(gòu)時(shí)深紫外LED 的光功率-電流(light output power-injection current,L-I)特性曲線,結(jié)果表明相同的注入電流下采用優(yōu)化EBL 結(jié)構(gòu)時(shí)LED 明顯具有更高的光輸出功率.隨著注入電流的增大,結(jié)構(gòu)C 的輸出功率在200 mA 時(shí)增速明顯變慢至520 mW,而采用優(yōu)化EBL 結(jié)構(gòu)后功率輸出功率接近線性增長(zhǎng),在200 mA 時(shí)達(dá)到780 mW,即優(yōu)化EBL 結(jié)構(gòu)有利于效率驟降現(xiàn)象的抑制.圖7(b)中顯示了200 mA 注入電流下結(jié)構(gòu)C 和采用優(yōu)化EBL 結(jié)構(gòu)時(shí)深紫外LED 的自發(fā)輻射譜,可以看出由于采用相同的有源區(qū)量子阱結(jié)構(gòu)二者的中心波長(zhǎng)接近均約為288 nm,即對(duì)EBL 的優(yōu)化不會(huì)破壞LED 輻射的典型光譜特性.而采用優(yōu)化EBL 結(jié)構(gòu)后LED 的輻射強(qiáng)度,相對(duì)于結(jié)構(gòu)C 的強(qiáng)度提高了57%.即采用優(yōu)化EBL 結(jié)構(gòu)對(duì)電子泄露的抑制和空穴注入的改善,能夠有效提高載流子輻射復(fù)合進(jìn)而提升深紫外LED 的發(fā)光特性.

圖7 采用優(yōu)化和未優(yōu)化EBL 結(jié)構(gòu)時(shí)AlGaN 基深紫外LED 的發(fā)光特性: (a) L-I 特性曲線;(b)發(fā)射光譜Fig.7.Optical properties of AlGaN based DUV LED with different EBL structures : (a) L-I characteristic curve;(b) emission spectrum.

為驗(yàn)證發(fā)光特性改善帶來(lái)的效率提升,本文對(duì)比分析了采用優(yōu)化和未優(yōu)化InAlGaN/AlGaN 超晶格EBL 結(jié)構(gòu)AlGaN 基深紫外LED 的內(nèi)量子效率,相應(yīng)的IQE 隨注入電流變化曲線如圖8 所示.從圖8 可以看出,LED 在采用優(yōu)化EBL 結(jié)構(gòu)后IQE明顯提升,結(jié)果表明,其IQE 峰值從結(jié)構(gòu)C 的約為0.41 提升到了0.48,即通過(guò)采用優(yōu)化EBL 結(jié)構(gòu)IQE 峰值在采用隨機(jī)超晶格EBL 結(jié)構(gòu)結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了17%.與此同時(shí),從圖中也可以得知,在200 mA 注入電流密度下,采用未優(yōu)化和優(yōu)化EBL 結(jié)構(gòu)時(shí),深紫外LED 的IQE 下降幅度分別為25%和4%,即LED 的效率驟降現(xiàn)象通過(guò)采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)EBL 也得到了明顯的改善,這主要源于電子泄露的減少和空穴的有效注入增大了輻射復(fù)合載流子占總載流子數(shù)的比例,在增大LED 光輻射強(qiáng)度的同時(shí)也有利于內(nèi)量子效率的提升和效率驟降現(xiàn)象的抑制.因此,本文通過(guò)最大化內(nèi)量子效率采用智能優(yōu)化算法對(duì)InAlGaN/AlGaN 超晶格EBL 結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化,能夠得到更有利于提升載流子復(fù)合幾率的EBL 結(jié)構(gòu),最終提升AlGaN 基深紫外LED 的效率特性.

圖8 采用優(yōu)化和未優(yōu)化EBL 結(jié)構(gòu)時(shí)AlGaN 基深紫外LED 的內(nèi)量子效率隨電流密度變化曲線Fig.8.Internal quantum efficiency versus current density curve of AlGaN based DUV LED with and without optimized EBL structure.

4 結(jié)論

針對(duì)AlGaN 基深紫外LED,本文采用了一種基于InAlGaN/AlGaN 超晶格的EBL 結(jié)構(gòu),結(jié)果表明LED 內(nèi)量子效率結(jié)果與傳統(tǒng)單層或雙層EBL相比有明顯提升.在此基礎(chǔ)上提出基于JAYA 智能算法的LED 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法,以最大化LED 內(nèi)量子效率為目標(biāo),對(duì)InAlGaN/AlGaN 超晶格EBL結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并進(jìn)一步對(duì)采用優(yōu)化和未優(yōu)化EBL 結(jié)構(gòu)的深紫外LED 的光電子學(xué)特性進(jìn)行了分析.結(jié)果表明,采用優(yōu)化的InAlGaN/AlGaN超晶格EBL 結(jié)構(gòu)后,深紫外LED 的電子泄露得到了更有效的抑制以及空穴注入也得到有效改善,增大了載流子在有源區(qū)復(fù)合的數(shù)量和幾率進(jìn)而提升了光輻射強(qiáng)度,最終使深紫外LED 的內(nèi)量子效率提升以及效率驟降現(xiàn)象得到抑制.該基于智能算法的優(yōu)化方法能夠突破目前包括電子阻擋層在內(nèi)LED 結(jié)構(gòu)的優(yōu)化局限性,能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)AlGaN 基深紫外LED 效率的提高提供了新的思路和方法.