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势垒硅掺杂对GaN基LED极化电场及其光电性能的影响
张正宜;王超
【摘要】势垒硅掺杂对InGaN量子阱中的电场及LED器件的光电性能有着重要
的影响.采用6×6K·P方法计算了不同势垒硅掺杂浓度对量子阱中电场的变化,研究
表明当势垒硅掺杂浓度1e18cm-3时,阱垒界面处的电场强度会变大,这主要是由
于硅掺杂浓度过高导致量子阱中界面电荷的聚集.进一步发现随着势垒掺杂浓度的
升高,总非辐射复合随之增加,其中俄歇复合增加,而肖克莱-霍尔-里德复合随之减少,
这是由于点陷阱的增大形成了缺陷能级.电流电压曲线表明势垒掺杂可有效改善
GaN基LED的工作电压,这归于掺杂浓度的提高改善了载流子的传输特性.当掺杂
浓度为1e18cm-3时,获得了较高的内量子效率,这主要是由于适当的势垒掺杂降
低了量子阱中界面电荷的损耗.
【期刊名称】《发光学报》
【年(卷),期】2018(039)010
【总页数】6页(P1445-1450)
【关键词】势垒;量子阱;极化电场;光电性能
【作者】张正宜;王超
【作者单位】山西交通职业技术学院信息工程系,山西太原030031;兰州交通大
学光电技术与智能控制教育部重点实验室,甘肃兰州730070
【正文语种】中文
【中图分类】TN321.8
1引言
InGaN半导体材料具有纤锌矿晶体结构和直接能隙结构,通过改变In原子在
InGaN中的比例,可实现从0.7eV到6.2eV的能隙调控,从而可以在整个可见
光范围内通过电致发光[1-2]。InGaNLED被广泛应用到通用照明和显示领域。对
于氮化物发光二极管器件来说,InGaN多量子阱结构是其最重要的组成部分。目
前,对于InGaN多量子阱的材料结构设计及机理方面做了大量的研究工作,其中,
包括量子阱p型掺杂、梯度量子阱、三角量子阱的设计等改变量子阱内的极化电
场,采用lnGaN或者InAlGaN作为势垒材料来调节多量子阱中的应力[3],对
InGaN多量子阱垒层掺杂Si来改善器件的光学及电学性能[4-6]。势垒层n型掺
杂对于提升MQWs及LED器件的性能起着至关重要的作用。目前都通过调控垒
层掺杂生长LED结构进行表征及光电性能讨论。但对势垒层Si掺杂的理论机理探
讨研究报道较少。目前,李国强等通过垒层Si掺杂来改善lnGaN绿光多量子阱的
界面质量和电流的扩展性提高LED光电性能[7];郭志友等通过垒层的n和p型掺
杂提高LED的光输出功率[8]。DenBaars等通过势垒掺Si来提高激光器的光增益
进而研究影响lnGaN量子阱的物理机制。
对lnGaN多量子阱LED研究中发现,量子垒的Si掺杂增加了电子载流子浓度,
有利于屏蔽极化电场的作用[9-12]。然而,有关通过理论研究势垒层Si掺杂调控
lnGaN多量子阱的电场变化的报道较少,其对器件光电性能影响的物理机制还需
进一步探讨。本文通过理论仿真计算研究势垒层Si掺杂对lnGaN多量子阱电场的
影响,从而获得调控lnGaN多量子阱极化电场的理论基础,进而改善lnGaN多量
子阱LED器件的光电性能。
2计算模型及参数
采用6×6K·方P法计算了InGaN多量子阱LED结构,并研究了其光电性质。图1
是GaN基LED结构示意图。N-GaN层的厚度为2μm,掺杂浓度为6×1018
cm-3;In0.2Ga0.8N(3.2nm)/GaN∶Si(4.8nm)多量子阱为11个周期;势垒层
GaN∶Si掺杂浓度分别为:0,1e16,5e16,1e17,5e17,1e18,5e18,1e19,
2e19,1e20cm-3;p-Al0.15Ga0.85N阻挡层的厚度为50nm,掺杂浓度为
5e17cm-3;p-GaN电极接触层掺杂浓度为2e19cm-3。仿真计算中带阶比
ΔEc/ΔEv=0.7/0.3为默认参数。电子和空穴的迁移率分别为100cm2·V-1·s-1和
10cm2·V-1·s-1,器件的工作温度为300K,仿真计算中其他的半导体材料参数
已被文献报道[13-14]。
图1GaN基LED结构示意图Fig.1SchematicofGaNbasedLEDstructure
3结果与讨论
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