优化硅掺杂量子势垒提升八周期InGaN/GaN蓝光LED亮度与效率

摘要

我们研究了在前两到五个量子势垒（QBs）中引入硅（Si）掺杂的八周期In₀.₂Ga₀.₈N/GaN量子阱（QWs）蓝光发光二极管（LEDs）。外延层在图案蓝宝石衬底（PSSs）上，通过低压金属有机化学气相沉积（LP-MOCVD）在20对In₀.₀₂Ga₀.₉₈N/GaN超晶格应变缓冲层（SRLs）上生长。温度依赖光致发光（PL）、电流-电压（I-V）、发光-电流（L-I）和高分辨透射电镜（HRTEM）测量显示：四个Si掺杂QBs的样品表现出最高载流子局域化能量（41 meV）、最低开启电压（3.27 V）、最有利击穿电压（-6.77 V）和高注电流下最强发光输出。降低的势垒高度创造软限制势，带来更好载流子分布、抑制奥热复合、提高辐射效率。这些发现表明四QB Si掺杂方案有效缓解量子限制斯塔克效应（QCSE），增强InGaN/GaN蓝光LED光学性能。

背景

GaN量子势垒中硅掺杂屏蔽极化场，从而抑制InGaN/GaN量子阱中的量子限制斯塔克效应（QCSE），显著增强激子辐射复合。三元InGaN合金中成分波动和自旋节相分离形成富铟簇，既作为深载流子陷阱也作为强大局域化位点减少非辐射复合。准确建模内量子效率（IQE）、外量子效率（EQE）和电流-电压特性必须考虑铟不均匀性。

Si掺杂QBs已显示能修饰QW纳米结构、促进热稳定性、提升发光功率、随掺杂增加改善静电放电性能。它们也阻挡空穴传输，迫使复合发生在p-GaN与掺杂势垒间的阱区。近期报道9-12 QW周期在PSSs上显著提升亮度和EQE下降特性。因此优化Si掺杂QBs数量和厚度对最大化大电流蓝光LED性能至关重要。

实验方法

图1展示制造蓝光LED芯片外延结构。外延层在c面PSSs（金字塔高1.5 µm，间距1 µm）上用水平LP-MOCVD反应器沉积。前驱体包括TMGa、TMIn、TMAl、NH₃、SiH₄（Si源）、Cp₂Mg（Mg源）。载气为H₂和N₂ 1:1混合。3 µm非掺杂GaN缓冲层后接3.3 µm n-GaN（10¹⁹ cm⁻³）。二十对2/2 nm In₀.₀₂Ga₀.₉₈N/GaN超晶格作SRLs。有源区含八个2.5 nm In₀.₂Ga₀.₈N QWs，间隔8 nm GaN QBs，QWs在750°C、QBs在900°C生长。Si掺杂（≈3×10¹⁷ cm⁻³）分别施加于前两个（样品A）、三个（样品B）、四个（样品C）、五个（样品D）QBs。20 nm Al₀.₁₆Ga₀.₈₄N电子阻挡层（EBL）和100 nm p-GaN窗口层（10¹⁹ cm⁻³）在950°C生长。ICP刻蚀定义1 mm²台面器件，ITO透明接触和Cr/Pt/Au欧姆接触。

电学特性（I-V、L-I）在室温20-300 mA测量。温度依赖PL（10-300 K）用325 nm He-Cd激光（45 mW）。HRTEM成像用300 kV FE-TEM。

结果与讨论

图2显示温度依赖PL光谱。所有样品随温升因非辐射过程增加呈现预期淬火。高斯拟合PL峰（图3）显示Si掺杂QBs诱导相对未掺杂参考的蓝移，确认有效抑制QCSE。Varshni型模型拟合S形温度依赖，得局域化能量：24 meV（A）、28 meV（B）、41 meV（C）、13 meV（D）。样品C（四Si掺杂QBs）显示最强局域化，关联优异辐射复合。

I-V曲线（图4）显示样品C实现最低开启电压（3.27 V）和最高击穿电压（-6.77 V）。该样品降低的QB势垒高度创造更平滑限制势，减少奥热复合和载流子泄漏。L-I测量（图5）确认样品C在300 mA下发光输出最高，饱和最小；样品D因最弱限制导致最低输出。

HRTEM图像（图6-8）展示层结构和成分变化。样品C表现出更漫反射QW/QB界面，指示界面扩散软化势垒改善载流子分布。所有样品观察到富铟簇和相关应变弛豁，但样品C局域化最显著。样品间无穿透位错，凸显PSSs和SRLs赋予的高晶体质量。

结论

系统研究表明，在八周期In₀.₂Ga₀.₈N/GaN结构前四个QBs引入Si掺杂产生最优光电性能。由此产生的软限制势、增强载流子局域化和减弱QCSE共同抑制奥热过程和泄漏，从而在高注入下提升发光输出。这些洞见为高效蓝光LED中优化Si掺杂QBs提供明确路径。

缩写

Al

铝

Cp₂Mg

双环戊二烯基镁

EBL

电子阻挡层

EQE

外量子效率

FE-TEM

场发射透射电镜

Ga

镓

HRTEM

高分辨透射电镜

ICP

感应耦合等离子体

In

铟

IQE

内量子效率

ITO

氧化铟锡

I-V

电流-电压

L-I

发光-电流

LP-MOCVD

低压金属有机化学气相沉积

Mg

镁

N

氮

n-GaN

n型GaN

NRCs

非辐射复合中心

PL

光致发光

PSSs

图案蓝宝石衬底

PZ

压电

QBs

量子势垒

QCSE

量子限制斯塔克效应

QWs

量子阱

RT

室温

Si

硅

SiH₄

硅烷

SRLs

应变缓冲层

TCL

透明接触层

TMAl

三甲基铝

TMGa

三甲基镓

TMIn

三甲基铟

u-GaN

非掺杂GaN