如何提高深紫外LED空穴注入效率

一、引言

以GaN和SiC為代表的第三代半導體材料具有禁帶寬度大、電子飽和漂移速度快和抗輻射能力強等優(yōu)點，在固態(tài)照明、電子電力和移動通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。其中，固態(tài)照明對于改善當今全球變暖以及生態(tài)環(huán)境惡化具有重要的意義。

除了節(jié)能環(huán)保，以深紫外發(fā)光二極管（DUV LED）為代表的紫外LED憑借其光子能量大的特點在殺菌消毒等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

紫外LED根據(jù)發(fā)光波長可細分為：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的發(fā)光波長短于360 nm。而AlGaN材料具有直接帶隙且?guī)犊烧{(diào)（3.4 eV~6.2 eV）的特點，覆蓋了絕大部分的紫外發(fā)光波段（200 nm ~ 365 nm），因此成為制備DUV LED的理想材料。近年來，得益于AlGaN材料的制備技術(shù)更加趨于完善，DUV LED也取得了長足的進步與發(fā)展。

圖1 DUV LED器件典型的外延結(jié)構(gòu)圖

二、問題

盡管如此，基于AlGaN材料的DUV LED目前仍面臨諸多問題：

1）LED屬于表面出光器件，所以沿著生長方向傳輸?shù)墓庾樱?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/te/" target="_blank">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）。而相較于InGaN材料，AlGaN材料獨特的價帶分布導致DUV LED的出光以TM模式偏振光為主，這極大程度上削弱了器件的LEE。具體而言，對于InGaN材料，最靠近布里淵區(qū)中心的價帶為重空穴帶（HH band），所以載流子的復合以C-HH躍遷為主，TE模式偏振光占主導；對于AlN材料，最靠近布里淵區(qū)中心的價帶為晶格場劈裂帶（CH band），所以載流子的復合以C-CH躍遷為主，TM模式偏振光占主導。

2）盡管AlGaN外延生長水平取得了一定的進步，但目前DUV LED器件的穿透位錯密度（TDD）仍高達109~1010cm-2，嚴重增加了有源區(qū)內(nèi)SRH復合幾率，降低DUV LED的內(nèi)量子效率（IQE）。

3）III-V族氮化物中存在的極化效應(yīng)引起量子阱能帶的彎曲，造成電子與空穴波函數(shù)空間分離，嚴重削弱載流子的復合效率，即所謂的量子限制斯塔克效應(yīng)（QCSE）。尤其是AlGaN材料自發(fā)極化強度明顯強于InGaN材料。

4）低空穴濃度與低空穴遷移率將導致電流主要擁擠在電極下方，引起電流擁擠效應(yīng)。從而造成載流子局域濃度的升高，增加了有源區(qū)內(nèi)俄歇復合幾率，造成器件結(jié)溫的升高，影響DUV LED的使用壽命。

5）低載流子注入效率進一步限制了DUV LED的器件性能，尤其是空穴注入效率。一方面，隨著Al組分的增加，Mg雜質(zhì)的電離能逐漸增大，導致Mg的離化率極低；另一方面，p-EBL在抑制電子泄漏的同時還會阻礙空穴注入至有源區(qū)，尤其是空穴的遷移率比較低。

三、措施

針對DUV LED器件中的低空穴注入效率，來自河北工業(yè)大學張紫輝教授團隊對DUV LED器件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，提出了介電調(diào)控隧穿結(jié)、電場存儲器概念、p-AlyGa1-yN/p-AlxGa1-xN/p-AlyGa1-yN (x

1. 介電調(diào)控隧穿結(jié)

傳統(tǒng)LED的p型電極直接濺射蒸鍍在p型半導體層，而低Mg摻雜效率導致p型半導體層中存在明顯的空穴耗盡區(qū)，增加器件工作電壓的同時減小了供給層中的空穴濃度。

為此，研究人員提出利用傳統(tǒng)同質(zhì)隧穿結(jié)（p+-Gan/n+-GaN）和極化隧穿結(jié)（p+-Gan/InGaN/n+-GaN），其中n+-GaN層做金屬接觸層，來改善LED器件的空穴注入及電學特性。而對于UV LED而言，InGaN插入層對紫外波段的光子存在著嚴重的光吸收。

同時，鑒于AlGaN材料的相對介電常數(shù)隨著AlN組分的增加而減小，如圖2（a），張紫輝教授團隊采用AlGaN材料做插入層，并提出介電調(diào)控隧穿結(jié)的概念，利用增強的結(jié)區(qū)電場來增加電子的隧穿幾率，從而提高p+-Gan層中的非平衡態(tài)空穴濃度。

圖2（a）AlxGa1-xN層相對介電常數(shù)和AlN組分之間的關(guān)系；（b）具有傳統(tǒng)同質(zhì)隧穿結(jié)的器件（A1）和具有介電調(diào)控隧穿結(jié)的器件（A2）隧穿結(jié)區(qū)的電場分布圖。插圖為隧穿結(jié)區(qū)電場峰值和極化水平之間的關(guān)系。

2. 電場存儲器

傳統(tǒng)的DUV LED器件的空穴供給層包括p-AlGaN層和p-GaN層兩部分。二者界面處存在著阻礙空穴從p-GaN層注入至p-AlGaN層的勢壘高度（即Φh），因此在p-AlGaN層靠近p-GaN層附近處產(chǎn)生空穴耗盡區(qū)，如圖3（a），而且該耗盡區(qū)寬度隨Φh增加，造成空穴在p-AlGaN層中被嚴重地耗盡。

針對此問題，張紫輝教授團隊發(fā)現(xiàn)該耗盡電場方向與空穴傳輸方向一致，可以對空穴起到一定的加速效果，增加空穴注入至有源區(qū)的能力，如圖3（b）， 此外，Φh保證了p-AlGaN層中的耗盡電場并不會被自由載流子所屏蔽。因此該團隊提出了電場存儲器的概念，即空穴可以從該耗盡電場中源源不斷地獲取能量。

圖3 (a) DUV LED器件的空穴供給層p-AlxGa1-xN/p-GaN異質(zhì)結(jié)對應(yīng)的能帶圖，其中p-AlxGa1-xN層存在界面耗盡區(qū)；(b) p-AlxGa1-xN層界面耗盡區(qū)中的電場方向示意圖。

3. p-AlyGa1-yN/p-AlxGa1-xN/p-AlyGa1-yN (x