具有多量子屏障的InGaN / GaN发光器件的高温电致发光

摘要

我们深入研究了含和不含多量子势垒InGaN/GaN多量子阱发光器件的高温特性。电致发光测量是在200至380 K的温度范围和1至100 mA的注入电流水平上进行的。对于具有mqb的样品，可以获得更强的载流子约束和更强的载流子局域化。此外，还发现具有mqb的样品的外量子效率高于具有GaN势垒的样品。MQB结构改善了发光器件的高温运行。

1.介绍

gan基异质结构的外延生长和器件加工方面的进展使这种材料系统成为一种很有前途的红外到紫外波长发光材料[1-3.］．由于InGaN/GaN多量子阱是高亮度蓝绿色发光二极管(led)和激光二极管(ld)的关键结构，因此引起了人们的广泛关注[3.那4.］．了解MQW结构的光学特性对进一步提高器件的性能具有重要意义。尽管存在高密度(~10^10./厘米²)错配位错，InGaN MQW发光二极管显示出非常明亮的发射特性。因此，高量子效率的起源受到人们的广泛关注。InGaN合金的量子约束效应和量子点态局域辐射复合中心捕获的有效载流子被认为是高发射效率的重要来源。InGaN/GaN多量子阱中激子局域化效应的重要原因之一是由于InGaN/GaN多量子阱中的偏析效应引起的势涨落。

由于蓝宝石衬底与外延层之间的大晶格和热膨胀系数失配，ingan基异质结构在纳米晶结构中显示失配位错，导致非辐射复合中心。这种器件的性能和功率输出受到从有源层溢出到非辐射复合中心的热激活损失的限制，从而降低了发射效率。此外，在照明应用方面，InGaN/GaN MQW器件面临着大电流注入的要求。高电流运行在led中会导致自热，并提高结温，进一步降低量子效率。为了提高载流子阻挡效应，一种AlGaN薄膜层被用于高功率UV/blue/green LEDs的多量子阱区域，以实现高器件效率[5.那6.］．另一种方法是使用多量子势垒(MQB)结构来抑制热载流子溢出[7.-9.］．这项技术是基于超晶格的使用，它由窄带隙和宽带隙半导体材料交替薄层组成。MQB结构被提出通过增加势垒高度来增强半导体激光器的载流子约束，利用了来自堆叠超晶格边界的反射电子波的干涉[7.-9.］．

在本研究中，我们研究了具有GaN势垒和MQB结构的InGaN/GaN MQWs发光器件的高温特性。采用金属-有机气相外延法制备MQW样品。电致发光(EL)的测量在200至380 K的高温范围内进行，注入电流水平为1至100 mA。从电致发光光谱的测量结果来看，含有mqb的样品表现出较弱的温度敏感特性和较强的局域效应。室温下，有mqb的样品的外量子效率明显高于有GaN势垒的样品。实验结果表明，MQB结构不仅改善了载流子的复合，而且深刻地改善了发光器件的高温工作性能。

2.实验

数字1显示了这个工作中研究的层状结构的示意图。采用金属-有机气相外延法(MOVPE)在薄膜上生长样品C平面蓝宝石基板。氨(NH_3.)、三甲基镓(TMG)、三甲基lindium (TMI)、硅烷(SiH_4.）和双（环戊二烯基）镁（CP₂Mg)用作前驱体或掺杂剂。有GaN阻挡层的样品的层结构包括一个20 nm厚的GaN缓冲层，一个3-μ厚si掺杂n型GaN层，是一种含有5个周期In的未掺杂GaN层_0.18遗传算法_0.82N/GaN mqw，以及100 nm厚的mg掺杂p型GaN层。n型和p型GaN的名义掺杂浓度约为5 × 10^18. cm^-31 × 10^19. cm^-3,分别。MQW结构中InGaN井和GaN势垒的厚度分别为2 nm和11 nm。对于含有mqb的样品，层结构相似，但mqw为5个周期的In_0.15遗传算法_0.85N/GaN多量子阱，势垒层被五周期In_0.005遗传算法_0.995N/GaN (1 nm/1 nm)异质层。在MQW和MQB结构中，通过光致发光和x射线衍射测定铟的组成[10.］．发光二极管芯片在350 × 350的大范围内制作μ米²)使用标准的光刻工艺。Ti/Al/Ti/Au和Ni-Au分别用于n型和p型电极。对于依赖于温度的EL测量，样品被安装在一个封闭循环He低温恒温器中，其中温度(T.）从200到380 k变化，并使用从1到100 mA操作的电流源。发光信号通过0.5M单色器分散，并通过标准锁定扩增技术使用Si光电二极管检测。

3.结果与讨论

数字2结果表明，在注入电流为10 mA的条件下，样品在200 ~ 380 K温度范围内的EL谱发生了变化。在室温条件下，我们观察到有GaN势垒和有mqb的样品的ingan相关辐射峰值能量分别为2.69 eV和2.93 eV。MQB结构的导带轮廓如图所示3.，设计MQB结构，使MQB超晶格的禁能迷你带与导带最小值排列，以增强导带不连续。利用转移矩阵法求解Schrödinger方程，可以得到入射电子能量对反射率的概率。结果表明，在经典势垒高度以上可以产生一个不允许的电子态带你[9.那11.］．这有效地提高了事件发生在障碍物上的反射率，因此增加了D的带不连续性你．该样品的较高的EL峰值能量与MQBS具有增加的传导带不连续性的证据。此外，与图中MQB的样本观察到更高的EL光谱强度2 (b)这可能是由于改善了载流子限制和抑制了载流子泄漏在有源层。随着温度的升高，两个样品的发射峰都出现红移，这是由于温度引起的晶格膨胀和电子晶格相互作用导致的带隙收缩。从图中，我们观察到有GaN势垒和MQB的样品从200到380 K的红移量分别为18.5 meV和15.2 meV，表明MQB样品的温度敏感性较低。基于带尾填充模型的EL峰值能量(红移-蓝移-红移)的s形温度依赖已被报道是存在局域效应的指纹，该模型适用于能量、势涨落和色散的高斯分布的热化载流子[12.那13.］．在我们的测量中没有观察到蓝移，因为温度依赖的EL谱是在高温范围测量的。温度的升高使局域能态的载流子能填充更高能级而引起的峰值能量蓝移被温度升高引起的带隙缩小所引起的发射峰值波长红移所补偿和克服。

为了进一步研究发光机制，进行驱动电流依赖的EL测量。数字4.描述了GaN阻挡层样品在1 ~ 100 mA的驱动电流范围内不同温度下的EL谱。随着注入电流的增加，氮基量子阱结构中铟成分波动引起的局域能态的带填充效应和压电场诱导的量子约束Stark效应(QCSE)的屏蔽效应已被报道[14.-16.］．由于由屏障和井材料之间的晶格错配引起的菌株引起的强压电场，QCSE存在于GaN的MQW中。通常，应变诱导的偏振场倾向于潜在的轮廓，这导致发射能量的红移。此外，该场在井中引起电子和孔波函数的空间分离。波函数重叠降低，并且间间重组率降低。当样本用电流源驱动时，QCSE的载波筛选在MQWS上达到潜力[17.］．带填充效应和qce -屏蔽效应都可能导致EL光谱的发光强度增加和发射峰蓝移。200k氮化镓势垒样品的测量结果如图所示4(一)．由于喷射电流从1到100 mA增加，EL光谱的强度增加。由于电流低于60 mA，因此发射峰值能量没有变化，并且当电流进一步增加到100 mA时，显出了红移。可以合理地推断通过升高驱动电流预测的EL峰值能量的蓝沿通过热活化的带隙收缩来补偿并克服，从而观察到换峰的较低能量侧。图中所示的EL峰值能量的红移4 (b)和4 (c)因为样品是在较高的温度下操作的，所以加热效果比较明显。此外，在注入电流为100 mA时，EL谱强度趋于饱和，这归因于注入载流子的热激活非辐射复合。

对于具有图中呈现的MQB的样本，观察到EL光谱的不同喷射电流依赖性行为5.．由于样品中铟含量较高，富铟区对电子能谱的影响显著。参照图中的曲线5(一个)那5 (b),5 (c)在200,300和380k中测量，在低注射电流下仅观察到形状的变化，并且观察到光谱的峰值能量没有显着变化。由于喷射电流增加到80 mA，在图中5(一个)，EL强度饱和和图5 (b)和5 (c)它开始退化。强度下降的电流比有氮化镓势垒的样品的电流低。随着铟含量的增加，晶体质量降低，InGaN组成中的整体势波动程度和量子阱界面的粗糙度增强。该样品表现出更多的非辐射复合中心，这反过来导致了在高注入电流水平下更快的强度猝灭率。然而，即使在高注入电流下，室温下MQB样品的EL强度也要高于有GaN势垒的样品。

在数据5 (b)和5 (c)， EL谱存在着驱动电流依赖性的异常行为。有趣的是，随着电流的增加，主发射峰从高能量变为低能，这表明量子点富铟区局域激子的辐射复合。由于样品中铟含量较高，可能存在更多的局域态，产生更强的局域效应。高能级侧面发射被认为是约束在规则多量子阱中的激子的辐射复合，而低能级侧面发射则是局域激子在多量子阱中的复合。我们将EL信号分解为两个高斯型峰，并将其高能量和低能量的发射峰强度记为和,分别。在高注入电流范围内，热效应明显，导致载流子的非辐射复合增加。注入载体位于富铟区域，阻止它们到达非辐射复合位点。高能级发射被快速猝灭，低能级发射在EL发射光谱中占主导地位。更多证据如图所示6.，其中，较高能量排放的EL强度(）和较低的能量（)分别表示为不同温度下驱动电流的函数。的影响随着电流的增加，EL强度变得明显，特别是在高温区域。这意味着mqb样本中的局域效应是明显的。强局域效应和较高的导带不连续导致mqb样品具有较高的EL强度。

通过讨论样品的EL效率，进一步研究了MQB结构对样品性能的影响。InGaN/GaN MQW发光二极管的EL外量子效率也受到温度升高和驱动电流增加的影响。InGaN/GaN发光器件的主要问题之一是抑制载流子从有源层溢出到p层。由于MQB结构有效地增加了带不连续，它有望防止电子在高温和高驱动电流下溢出。为了详细地反映样品在不同温度下EL效率随注入电流的变化情况，将积分EL强度除以电流(记为)，与EL外量子效率成正比。对于注入电流为10ma时，计算得到具有mqb的样品与具有GaN势垒的样品的比值随温度的变化如图所示7（a）．可以清楚地看到，使用mqb的示例的效率大大提高了。有MQB的样品的外量子效率比有GaN势垒的样品高3.5倍，说明采用适当的MQB结构可以提高发光器件的性能。当注入电流从10到100毫安时比率逐渐下降，如图所示7 (b)．然而，用MQBS的样品的外部量子效率大于具有GaN屏障的样品，直到喷射电流大于80mA，并且温度高于340K。由于MQB样品的载体的强化非相互作用重组，发光效率在高温和高驱动电流范围内表现出快速降解。如上所述，在该样品中存在更不均匀的铟组合物，该样品对来自MQB和量子的局部载体铺平的方式促使来自MQB和量子的局部载流子，从而有助于在高温下快速淬火效率。然而，在室温下的外部量子效率和高达100 mA的高驱动电流的情况下，具有MQBS的样品基本上表现出比具有GaN屏障的样品更好的装置特性。

4.结论

在本文中，我们通过在1 ~ 100 mA的驱动电流和200 ~ 380 K的温度范围内的EL光谱测量，研究了带有GaN势垒和mqb的InGaN/GaN MQW LEDs的性能。对实验结果进行了详细分析，结果表明，在有效势垒高度增加和铟含量增加的同时，mqb在活性层中的载流子约束增强，局域效应增强。此外，从室温下依赖注入电流的EL外量子效率的评价来看，当驱动电流从10 mA增加到100 mA时，具有mqb的样品表现出更高的效率。结果表明，MQB结构改善了InGaN/GaN MQW发光器件的性能。

承认

作者感谢王仁成先生的技术援助。

参考文献

1. S. Nakamura, S. Pearton和G. Fasol蓝色激光二极管，斯普林克，柏林，德国，2000。
2. E. F. Schubert和J. K.Kim，“固态光源变得聪明”科学，卷。308，没有。5726，PP。1274-1278，2005。视图:出版商网站|谷歌学者
3. 王慧，季振中，瞿绍华等，“激发功率和温度对InGaN/GaN多量子阱光致发光的影响，”光学表达第20卷，没有。4, 3932-3940, 2012。视图:出版商网站|谷歌学者
4. M. Brendel, A. Kruse, H. Jönen等人，“在GaInN/GaN量子阱激光结构中的俄杰复合”，应用物理快报，第99卷，第2期。3、文章编号0311106,2011。视图:出版商网站|谷歌学者
5. Lin R. m, S. F. Yu, S. J. Chang, T. H. Chiang, S. P. Chang, and C. H. Chen，“在p-AlGaN电子阻挡层之前插入p-InGaN层抑制了基于ingan的发光二极管的效率下降，”应用物理快报第101卷，不。8、文章编号081120,4页，2012。视图:出版商网站|谷歌学者
6. 张志洪，徐建强，蔡正明，谢世昌，李文昌，张世杰，“p-AlGaN电子阻挡层厚度对gan基led静电放电特性的影响，”IEEE光电技术快报第20卷，没有。13，pp。1142-1144,2008。视图:出版商网站|谷歌学者
7. K. S. Teng, M. Brown, A. Kestle等，“AlGaInP/GaInP激光带偏工程中多量子势垒的研究”，应用表面科学第190卷，第2期。1-4页，284-287,2002。视图:出版商网站|谷歌学者
8. M. P. Ackland, P. R. Dunstan, M. R. Brown, K. S. Teng, S. P. Wilks, R. Cobley，“利用近场成像技术描述多量子势垒反射器对GaInP/AlGaInP量子阱激光器的影响”，应用表面科学第255卷，否。3，页649-652,2008。视图:出版商网站|谷歌学者
9. “多量子势垒对InGaN/GaN多量子阱发光二极管性能的影响，”应用物理学杂志(第102卷第66期)文章编号033101,7页，2007。视图:谷歌学者
10. J. C. Lee，“用x射线衍射分析研究InGaN/GaN多重量子阱的纳米结构性质”，固态科学第13卷，没有。5，第1013-1016页，2011。视图:出版商网站|谷歌学者
11. 林永勇，庄荣文，张世杰等，“一种啁啾多量子势垒结构gan基发光二极管，”IEEE光电技术快报，卷。24，不。18，pp。1600-1602,2012。视图:出版商网站|谷歌学者
12. 吴永飞，李建昌，李建昌，王建昌，“载流子局域化对IIIV异质结构发光光谱的影响，”发光学报第131卷，第2期。7，页1267-1271,2011。视图:出版商网站|谷歌学者
13. 陈春阳，谢长华，廖春晖等，“超长p层对高铟发光二极管中InGaN/GaN量子阱发射特性的影响，”光学表达第20卷，没有。10，页11321-11335,2012。视图:出版商网站|谷歌学者
14. T.Akasaka，H.GoOH，T. Saito和T.Makimoto，“IngaN多量子井的高发光效率在IngaN底层层上生长”，“应用物理快报(第85卷)15, 3089-3091页，2004。视图:出版商网站|谷歌学者
15. N. Khan和J. Li，“压缩应变对In光学性质的影响”_x遗传算法_{1 - x}N /氮化镓量子井。”应用物理快报(第89卷第40期)第151916条，3页，2006年。视图:出版商网站|谷歌学者
16. D. Y. Lee, S. H. Han, D. J. Lee等，“电子阻挡层对InGaN/GaN多量子阱发光二极管中压电场的影响，”应用物理快报，第100卷，不。4、Article ID 041119, 4页，2012。视图:谷歌学者
17. S. De, A. Layek, S. Bhattacharya等，“InGaN/GaN量子阱发光二极管局域发光中心的量子限制stark效应，”应用物理快报第101卷，不。第121919条，5页，2012年。视图:出版商网站|谷歌学者

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