具有复合最后一层势垒的AlGaN基深紫外发光二极管的制备及特性研究
时间：2023-06-22 12:50:05 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
张 雄，陆 亮，崔一平
（东南大学 电子科学与工程学院先进光子学中心，江苏 南京 210096）
AlGaN基紫外发光二极管（UV-LED）为AlGaN基材料的重要应用之一，其禁带宽度从3.45 eV（GaN）到6.28 eV（AlN）连续可调，覆盖了整个紫外波段。其中，深紫外波段的UVC和UVB波段的紫外光可用于杀菌、水和空气净化、医疗保健、农业以及高密度光存储等领域[1-3]。对于沿极性c[0001]方向生长的DUV-LED 而言，虽然存在量子限制斯塔克效应（QCSE），但是其外量子效率（EQE）仍比其他取向的DUV-LED高约一个数量级。不过，低载流子注入效率仍然限制了极性DUV-LED的光输出功率[4-7]。尤其是在将足够数量的空穴注入到DUV-LED的有源区域中以增强内量子效率（IQE）的同时，能否有效地抑制电子泄露仍然面临着挑战。迄今为止，研究者已研发出多种创新方法来改善IQE，包括：（1）减少外延层的缺陷和位错[8-9]；
（2）增加n 型和p 型材料的掺杂效率以形成导电膜，从而提高电流注入效率[10-11]；
（3）在有源区中使用新型AlGaN基量子阱和势垒结构[12-15]。此外，研究人员还进行了各种能带工程工作，以防止电流泄漏并减少大电流注入过程中的光输出功率下降，从而改善IQE[16]。Guo等报道了通过控制p-AlGaN空穴注入层（HIL）和电子阻挡层（EBL）中应变的弛豫程度来改善电流注入效率[17]。Zhang等通过添加极薄的AlGaN层（～3 nm）[18]或超晶格（SL）[19]或多量子势垒（MQB）结构[19]以提高空穴传输能力。Shih等则设计了一种具有组分渐变和多量子势垒结构的EBL，以便增强电子约束和空穴注入能力并提高光输出功率[20]。He等使用AlxGa1-xN载流子存储层替代传统单层非掺杂的最后一层量子势垒（LQB），得以提高IQE 并缓解了效率下降的现象[21]。尽管以上研究取得了一些好的结果，但是，基于AlGaN 的DUV-LED的IQE仍远远低于基于GaN的蓝色LED的IQE。因此，只有进一步提高AlGaN基DUV-LED的IQE，方能替代有毒的汞灯作为实际应用中的UV光源。
本文创新性地研发了由非掺杂的LQB（u-LQB）和另一Mg 掺杂LQB（p-LQB）层构成的p 型复合最后一层量子势垒（p-CLQB）。对含有p-CLQB的AlGaN基DUV-LED的光输出功率和其他特性进行了深入研究，并对Mg的掺杂水平进行了优化。研究结果表明，采用具有优化结构的p-CLQB可以显著提高AlGaN基DUV-LED的光输出功率。
本研究使用的所有包含p-CLQB 结构的AlGaN 基DUV-LED 样品均是在c面蓝宝石衬底上生长而成，所用生长设备均为垂直型低压冷壁MOCVD。NH3、SiH4、TMAl、TMGa 和Cp2Mg 被分别用作N、Si、Al、Ga和Mg的反应源，H2为载气。在MOCVD生长过程的开始阶段，将c面蓝宝石衬底加热到1 060°C，在H2氛围中吹扫，以除去衬底表面的污染物。然后将温度降至750°C，生长低温AlN（LT-AlN）成核层。在LT-AlN成核层生长完成之后，再分3步生长总厚度为2.5 μm的高温AlN（HT-AlN）缓冲层，即首先升高温度至1 250°C，调整V/III比值为570，生长厚度为750 nm的第1层HT-AlN缓冲层；
微降温至1 220°C，调整V/III 比值为285，生长厚度约为1.2 μm 的第2 层HT-AlN 缓冲层；
接着保持V/III 比值与第2 层HTAlN 缓冲层相同，在将生长温度调降至1 200°C 时再次生长厚度约为550 nm 的第3 层HT-AlN 缓冲层。在上述3层HT-AlN缓冲层生长完成之后，再依次生长共计30周期的非掺杂AlN/Al0.55Ga0.45N 超晶格结构（SL）、厚度为2.5 μm的Si重掺杂n-Al0.68Ga0.32N电流扩展层、由6对Al0.34Ga0.66N/Al0.59Ga0.41N（1.6 nm/12 nm）多量子阱（MQWs）构成的发光有源区。
与传统AlGaN基极性DUV-LED层结构相比，本文的创新点，或者最关键的变化是：在原有14 nm厚的非掺杂最后一层量子势垒（u-LQB）的基础上，再插入一层6 nm厚Mg 掺杂的p-LQB 形成复合型最后一层量子势垒（LQB），即p-CLQB；
然后，在此p-CLQB 之上，再生长4 个周期的Mg 掺杂p-Al0.6Ga0.4N/Al0.4Ga0.6N SL 作为电子阻挡层（EBL）；
最后，在EBL 之上生长Al 组分渐变的Mg 掺杂p-AlGaN 层和p-GaN欧姆接触层。本文所生长的AlGaN基DUV-LED样品的层结构如图1所示。
图1 AlGaN基DUV-LED的层结构示意图
本文共生长了6个样品，分别命名为A～F。其中，作为参考样品使用，器件结构中只含有未掺杂u-LQB 的DUV-LED 样品命名为A；
样品B～F分别代表具有不同Mg 掺杂水平的、含有p-CLQB 的AlGaN基DUV-LED样品，其MOCVD外延生长时的Cp2Mg流量分别为0.03、0.05、0.08、0.12和0.16 μmol/min。
本文所有AlGaN基DUV-LED样品的Mg掺杂p型外延层的激活均采用MOCVD炉内热退火技术，在氮气氛围中于700°C 退火15 分钟。除了对样品的电流电压（I-V）特性进行测量外，还使用电致发光（EL）和光致发光（PL）光谱，在室温（RT）下对样品A～F进行表征。
室温下测得样品A～F对A样品的归一化室温EL光谱如图2所示（插入图为310 nm附近的局部放大图）。可见，除位于275 nm附近的主要发光峰外，还可以观察到位于310 nm处明显的寄生发光峰（样品A除外）。很明显，这些寄生发光的EL强度强烈依赖于Mg掺杂水平，掺入的Mg越多，寄生发光峰的强度就越大。对于这种寄生发光的物理起源有很多种解释或推测：Zhang等认为寄生发光与注入p-Al-GaN层的电子有关[22]；
而Shatalov等则认为，以330 nm为中心的长波发光带是由室温下载流子从导带跃迁到p-AlGaN层能带中深受主能级复合所引起[23]。如图2 所示，在不含有p-CLQB 的样品A的EL 光谱中未观察到寄生发光峰，而在含有p-CLQB的其他所有样品的寄生发光峰均很显著。电子从有源区的多量子阱溢出到p-LQB层中，随后电子和空穴在p-LQB层中的复合是造成这种寄生发光的主要原因。图3为以0.03 μmol/min的Cp2Mg流速生长的Mg掺杂p-CLQB样品B的I-V特性曲线。
图2 样品A～F对A的归一化室温EL光谱
图3 样品B的I-V特性
在图4所示的PL光谱中也观察到了与EL光谱类似的现象。表1总结了样品A～F的寄生发光峰与主要发光峰的EL和PL强度比。可以看出，寄生发光与主发光峰的PL强度比小于EL强度比。这是因为相比于EL测试过程，PL测试时量子阱结构中受激电子数量较少，导致较少的电子溢出到p-LQB层中参与寄生发光。
表1 样品A～F的寄生发光峰与主峰的EL和PL强度比
图4 样品A～F的归一化室温PL光谱（插入图为310 nm附近的局部放大图）
AlxGa1-xN的禁带宽度为Al组分x的函数：
其中，弯曲系数b为1 eV，GaN和AlN的禁带宽度分别为3.45 eV和6.28 eV。AlxGa1-xN材料的带隙相对于GaN 的导带差为70%，价带差为30%[24]。AlxGa1-xN 材料的Mg 受主能级EA(x)、杂质相关的发光能Eemi(x)、氮空位相关能级VN1+之间的关系可表示为Al组分x的函数：
在本文使用的6个样品A～F中，p-LQB 中的Al组份均为59%，即x=0.59。根据式（1），可以计算出Eg(x)为4.88 eV。而在AlN中，氮空位相关能级VN1+为0.26 eV[25]。因此，EA(x)=EGaN(Mg0)+EV，其中在GaN 中的Mg 受主能级EGaN(Mg0)为0.17 eV[26]，EV=-0.3ΔEg(x)=0.43eV。因此，EA(x)=0.17+0.43=0.6 eV。根据式（2），可计算得到Eemi为4.02 eV，这恰好对应于观察到的与杂质相关的310 nm的发光峰。因此可以推断，子带寄生发光峰源自于与杂质相关的跃迁。VN1+施主和Mg0受主能级的能带结构以及GaN和Mg掺杂的Al0.59Ga0.41N p-LQB 中的EV1+N和之间的光学跃迁如图5所示[27]。
图5 VN1+施主和Mg0受主能级的能带结构，GaN和Mg掺杂的Al0.59Ga0.41N p-LQB中和之间的光学跃迁
此外，在直流电源的驱动下，光输出功率P与注入电流I之间的关系如图6（a）所示。为了便于对实验结果进行分析比较，以60 mA时获得的样品B光输出功率为基准，归一化其他样品的光输出功率，表示为Pnor。从图6（a）可以清楚地看到，在低注入电流下，样品A～F之间的光输出功率之差很小。但是，当注入电流高于30 mA时，引入p-CLQB对AlGaN基DUV-LED的光输出功率的影响很明显。图6（b）为注入40 mA电流时，样品B～F相对于A的归一化光输出功率随Cp2Mg流量R变化的关系曲线。
从图6（b）可以看出，在40 mA的注入电流下，当Cp2Mg流量从0增加到0.03 μmol/min时，轻掺杂的样品B相比于不含p-CLQB的样品A，光输出功率显著增加了近30%。但是，随着Cp2Mg流量的进一步增加，光输出功率又开始单调降低。实际上，当外延生长样品D的Cp2Mg流速增加到0.08 μmol/min时，样品D的光输出功率几乎与未插入p-LQB层生长的样品A光输出功率相同。光输出功率随Mg掺杂水平的变化趋势可以解释如下：与没有p-CLQB 的DUV-LED 相比，在p-LQB 层中引入适当掺有Mg 的p-CLQB不仅可以阻止电子溢出并减弱由于溢出引起的电流泄漏，还可以通过在MQWs内部产生更多的空穴来提高空穴注入效率，形成更有效的辐射复合，从而产生更高的光输出功率[28-30]。但是，随着Cp2Mg流量或Mg掺杂水平的进一步提高（样品C～F），由于p-LQB层中过量的Mg掺杂会引起与杂质相关的缺陷数量的激增，产生子带寄生辐射，从而导致光输出功率显著降低。因此，为了抑制子带寄生发光，必须优化插入的p-LQB的Mg掺杂水平，以实现AlGaN基DUV-LED的最高光输出功率。
图6 （a）样品A～F的P-I特性；
（b）注入电流为40 mA时，样品B～F相对于A的归一化光输出功率随Cp2Mg流量R变化的关系
综上所述，本文在成功制备出发光波长为275 nm的具有传统u-LQB的DUV-LED之后，又创新性地引入Mg掺杂的复合最后一层量子垒（p-CLQB），并深入研究了p-CLQB的引入对AlGaN基DUV-LED光输出功率的影响。通过优化Mg 的掺杂水平，获得了光输出功率较高的DUV-LED。研究结果显示，在40 mA的注入电流下，当Cp2Mg流量从0增加到0.03 μmol/min时，轻掺杂的样品B相比于不含p-CLQB的参考样品A，光输出功率增加了近30%。光输出功率随Mg掺杂水平而变化，是因为在p-LQB层中引入适当掺有Mg 的p-CLQB 不仅可以阻止电子溢出并减弱由于溢出引起的电流泄漏，还可以通过在MQWs内部产生更多的空穴来提高空穴注入效率，从而形成更有效的辐射复合。
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