河北工业大学张紫辉团队:提高DUV LED空穴注入效率的若干措施

封面文章|田康凯,楚春双,毕文刚,张勇辉,张紫辉. AlGaN基深紫外发光二极管空穴注入效率的提高途径[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(6): 060001

以GaN和SiC为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度快和抗辐射能力强等优点,在固态照明、电子电力和移动通信等领域具有广泛的应用。其中,固态照明对于改善当今全球变暖以及生态环境恶化具有重要的意义。

除了节能环保,以深紫外发光二极管(DUV LED)为代表的紫外LED凭借其光子能量大的特点在杀菌消毒等领域有着广泛应用。

紫外LED根据发光波长可细分为:UVA LED(320 nm<λ<400 nm)、UVB LED(280 nm<λ<320 nm)、UVC LED(200 nm<λ<280 nm)以及VUV(10 nm<λ<200 nm),其中DUV LED的发光波长短于360 nm。而AlGaN材料具有直接带隙且带隙可调(3.4 eV~6.2 eV)的特点,覆盖了绝大部分的紫外发光波段(200 nm ~ 365 nm),因此成为制备DUV LED的理想材料。近年来,得益于AlGaN材料的制备技术更加趋于完善,DUV LED也取得了长足的进步与发展。


图 1 DUV LED器件典型的外延结构图

尽管如此,基于AlGaN材料的DUV LED目前仍面临诸多问题:

1)LED属于表面出光器件,所以沿着生长方向传输的光子[即TE模式偏振光]更容易被提取,有利于提高器件的光提取效率(LEE)。而相较于InGaN材料,AlGaN材料独特的价带分布导致DUV LED的出光以TM模式偏振光为主,这极大程度上削弱了器件的LEE。具体而言,对于InGaN材料,最靠近布里渊区中心的价带为重空穴带(HH band),所以载流子的复合以C-HH跃迁为主,TE模式偏振光占主导;对于AlN材料,最靠近布里渊区中心的价带为晶格场劈裂带(CH band),所以载流子的复合以C-CH跃迁为主,TM模式偏振光占主导。

2)尽管AlGaN外延生长水平取得了一定的进步,但目前DUV LED器件的穿透位错密度(TDD)仍高达109~1010cm-2,严重增加了有源区内SRH复合几率,降低DUV LED的内量子效率(IQE)。

3)III-V族氮化物中存在的极化效应引起量子阱能带的弯曲,造成电子与空穴波函数空间分离,严重削弱载流子的复合效率,即所谓的量子限制斯塔克效应(QCSE)。尤其是AlGaN材料自发极化强度明显强于InGaN材料。

4)由于低空穴浓度与低空穴迁移率,导致电流主要拥挤在电极下方,引起电流拥挤效应。从而造成载流子局域浓度的升高,增加了有源区内俄歇复合几率,造成器件结温的升高,影响DUV LED的使用寿命。

5)低载流子注入效率进一步限制了DUV LED的器件性能,尤其是空穴注入效率。一方面,随着Al组分的增加,Mg杂质的电离能逐渐增大,导致Mg的离化率极低;另一方面,p-EBL在抑制电子泄漏的同时还会阻碍空穴注入至有源区,尤其是空穴的迁移率比较低。

针对DUV LED器件中的低空穴注入效率,来自河北工业大学张紫辉教授团队对DUV LED器件结构进行优化设计,提出了介电调控隧穿结,电场存储器概念,p-AlyGa1-yN/p-AlxGa1-xN/p-AlyGa1-yN (x<y) EBL等措施来提高空穴注入效率。

措施

(一)介电调控隧穿结

传统LED的p型电极直接溅射蒸镀在p型半导体层,而低Mg掺杂效率导致p型半导体层中存在明显的空穴耗尽区,增加器件工作电压的同时减小了供给层中的空穴浓度。

为此,研究人员提出利用传统同质隧穿结(p+-Gan/n+-GaN)和极化隧穿结(p+-Gan/InGaN/n+-GaN),其中n+-GaN层做金属接触层,来改善LED器件的空穴注入及电学特性。而对于UV LED而言,InGaN插入层对紫外波段的光子存在着严重的光吸收。

同时,鉴于AlGaN材料的相对介电常数随着AlN组分的增加而减小,如图2(a),张紫辉教授团队采用AlGaN材料做插入层,并提出介电调控隧穿结的概念,利用增强的结区电场来增加电子的隧穿几率,从而提高p+-Gan层中的非平衡态空穴浓度。


图2(a)AlxGa1-xN层相对介电常数和AlN组分之间的关系;(b)具有传统同质隧穿结的器件(A1)和具有介电调控隧穿结的器件(A2)隧穿结区的电场分布图。插图为隧穿结区电场峰值和极化水平之间的关系。

(二)电场存储器

传统的DUV LED器件的空穴供给层包括p-AlGaN层和p-GaN层两部分。二者界面处存在着阻碍空穴从p-GaN层注入至p-AlGaN层的势垒高度(即Φh),因此在p-AlGaN层靠近p-GaN层附近处产生空穴耗尽区,如图3(a),而且该耗尽区宽度随Φh增加,造成空穴在p-AlGaN层中被严重地耗尽。

针对此问题,张紫辉教授团队发现该耗尽电场方向与空穴传输方向一致,可以对空穴起到一定的加速效果,增加空穴注入至有源区的能力,如图3(b), 此外,Φh保证了p-AlGaN层中的耗尽电场并不会被自由载流子所屏蔽。因此该团队提出了电场存储器的概念,即空穴可以从该耗尽电场中源源不断地获取能量。


图3 (a) DUV LED器件的空穴供给层p-AlxGa1-xN/p-GaN异质结对应的能带图,其中p-AlxGa1-xN层存在界面耗尽区;(b) p-AlxGa1-xN层界面耗尽区中的电场方向示意图。

(三)p-AlyGa1-yN/p-AlxGa1-xN/p-AlyGa1-yN (x<y) EBL

p-EBL防止电子泄漏同时也会阻碍空穴注入至有源区。图4(a)表明大量空穴将积聚在p-EBL/p-AlGaN界面处,只有少数具有高能量的空穴通过热辐射机制(即P1)注入至有源区。通过与台湾交通大学Kuo Hao-Chung教授团队进行合作研究,张紫辉教授和Kuo Hao-Chung教授等人建议在EBL中靠近p-AlGaN层一侧插入一层薄的低禁带宽度的材料,利用带内隧穿机制(即P0)减小空穴在p-EBL/p-AlGaN界面处的积聚,接着空穴通过热辐射机制(P2)注入至有源区,如图4(b),4(c)。


图4 (a) 传统DUV LED器件的能带示意图;(b) 具有p-AlxGa1-xN/AlyGa1-yN/AlxGa1-xN (x>y) EBL的DUV LED器件的能带示意图;(c) p-EBL和p-AlGaN层的空穴分布图。

(四)极化效应对空穴注入的影响

III-V族氮化物具有一个重要的物理性质,即极化效应。对于传统的[0001]晶向DUV LED,极化效应不仅导致了量子限制斯塔克效应,而且严重影响载流子的注入效率,造成器件性能的衰减。然而,当整体改变DUV LED器件结构的极化水平,[0001]晶向(极化水平大于0)的器件性能明显优于[000-1]晶向的器件,而且光输出功率随着极化水平增加而进一步被改善如图5(a)。图5(b)表明不同极化水平下,空穴在有源区、p-EBL和空穴供给层中的分布迥然不同。

张紫辉教授团队对该现象做了详细的研究,发现增加p-EBL/p-AlGaN/p-GaN界面处的极化水平,一方面增加了空穴的能量,另一方面削弱了p-EBL对空穴的阻碍势垒高度,从而提高空穴注入效率,改善DUV LED的器件性能。


图5 注入电流为 35mA时,(a) DUV LED器件光输出功率与极化水平之间的关系 和(b) 不同极化水平下,量子阱,p-AlGaN层和p-GaN层中的空穴分布图。

(五)不同AlN组分量子垒对空穴注入的影响

张紫辉教授与Kuo Hao-Chung教授等人还发现,最后一个量子垒和p-EBL界面处的极化电荷对空穴注入效率有着重要的影响。当适当增加量子垒组分的时候(E3>E2>E1),量子阱中电子浓度明显增加,这主要是量子垒对电子的束缚能力得到增强,如图6(a)。同理,量子垒对空穴的阻碍作用也会明显地增强,理论上不利于空穴的注入,但是图6(b)表明空穴随着量子垒组分的增加而增加。这是由于随着量子垒中AlN组分的增加,最后一个量子垒和p-EBL间的极化失配度减小,削弱了p-EBL对空穴的阻碍能力,从而提高有源区内空穴的浓度,如见图6(c)。


图6 注入电流密度为100 A/cm2时,(a)量子阱中的电子分布;(b) 量子阱中的空穴分布和(c)UVA LED器件能带示意图。

总结

DUV LED拥有巨大的市场价值和广阔的应有前景,但低空穴注入效率严重限制了DUV LED的进一步普及。除了在外延生长技术方面寻求突破,了解DUV LED内部物理机理有利于研究领域人员更好地认知DUV LED,改善DUV LED器件性能。张紫辉教授团队系统地分析了几种改善DUV LED空穴注入效率的措施,深刻地揭示了其中的物理机理,对于改善DUV LED的器件性能具有重要的物理意义。