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偏振掺杂N面III族氮化物发光二极管的特性
Kexiu Dong, Dunjun Chen,Bin Liu, Hai Lu, Peng Chen, Rong Zhang, and Youdou Zheng Key Laboratory of Advanced Photonic and Electronic Materials, Nanjing National Laboratory of Microstructure, School of Electronics Science and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210093, Peoplersquo;s Republic of China
(Received 4 January 2012; accepted 31 January 2012; published online 16 February 2012)
摘要：在理论上研究了具有偏振诱导p型掺杂的N面GaN基发光二极管（LED）的电学和光学性能。与偏振掺杂的金属面LED相比，当施加的正向电压超过特定值时，N面的发光效率和电致发光强度显着提高。同时，在偏振掺杂的N面LED中观察到反向量子限制斯塔克效应。
关键词：偏振掺杂，N面GaN基LED，反向QCSE
III族氮化物半导体已被证明在工作在可见光区和紫外区发光二极管（LED）中具有巨大的商业价值。然而要实现高功率LED，III族氮化物正面临着两个主要问题。一个是由于Mg做主掺杂剂导致的p型掺杂差，导致空穴的低热激活并导致p型的低导电性.另一个是被普遍认为的由于偏振感应电场产生的量子限制斯塔克效应（QCSE）对III族氮化物量子阱LED的发光效率产生的负面影响。最近，Simon等人开发了一种极化诱导的p-掺杂技术，通过使用内置电子极化代替加热来电离受主掺杂剂。这种方法也被证明可以在金属面组成Al线性减少的AlGaN层，从而提高空穴浓度，从而提高金属面GaN基LED的内量子效率。此外，此外，已发现N面取向的GaN基结构对于高电子迁移率晶体管和光伏器件是有利的。我们认为，N面III族氮化物器件结构仍然存在许多与金属面器件结构相比未探明的优点。在这项工作中，使用SILVACO ATLAS软件对具有偏振诱导p掺杂的N面GaN基LED经行了数字化研究，同时作为参照，也模拟了金属面LED。
多量子阱（MQWs）LED结构如图1所示。它由30nm的GaN缓冲层，2mu;m的Si掺杂的n型GaN层，5周期的多量子阱有源区，100nm偏振掺杂p型层和50nm Mg掺杂GaN层。对于N面LED，偏振掺杂层中的Al组分沿着N面从0到0.3线性增加，并且沿着金属面的金属面从0.3线降低到0。对于两种LED结构，n型GaN层中的Si掺杂水平为，而p型GaN和AlGaN层中的Mg掺杂剂浓度为。 Mg受主的电离能设定为从GaN的200meV线性增加至AlN的630meV。
的应用频带偏移比为0.7：0.3。考虑到由缺陷引起的屏蔽效应，极化电荷密度假定为计算值的40％。通过基于在SILVACO ATLAS软件包中实施的一系列物理模型求解泊松方程和载流子连续性方程，可以模拟LED的光学和电学特性。
图1.偏振掺杂LED的结构
图2展示了金属面和N面LED在施加不同电压下的电致发光强度随波长的变化情况。可以看出，金属面LED的EL强度在增加到一定强度后迅速饱和，甚至在较高电压下减小，而N面LED的EL强度随着施加电压的增加而保持上升，并且超过金属面LED施加的电压而达到13 V。图2为光强随电源电压增高的变化曲线。可以看出，相比于金属面LED，N面LED具有更高的导通电压。同时，随着施加电压的增加，观察到N面LED的EL光谱的大蓝移，而在金属面LED中发生轻微红移。
图2.不同电压下的金属面和N面LED的EL随波长的变化
其中的插图显示电源电压曲线
在不同的正向偏置电压下，偏振掺杂的金属面和N面LED的能带图如图3所示。从图3可以看出，（c）由于不可避免的价带偏移，N面LED的价带图在p-GaN层和AlGaN层的界面处呈现空穴势垒，含有Al组分沿N面0至0.3，并且该空穴垒由于使用反向梯度AlGaN层，可以在金属面LED中被去除。同时，靠近AlGaN层的N面量子阱结构的最后势垒层的价带比金属面量子阱结构中的电势下降更大。这种潜在的下降将成为空穴传输的障碍。这些差异可以解释为什么N面LED比金属面LED具有更高的导通电压。然而，由于增加的频带弯曲，阻挡层对空穴注入的影响随正向偏置电压的增加而减小，如3（a）和3（b）所示。相反，在LED导通之后，极化场对载流子注入的影响起着更重要的作用。 N面LED屏障中的极化感应电场的方向与正向偏压场的方向一致，这有助于电子/空穴注入量子阱。金属面LED的情况正好相反。 因此，与极化场与载流子注入相反的金属面LED相比，由于极化场的辅助，N面LED在更高的正向偏置电压下具有更高的载流子注入效率。如图3（a）所示，这个结论也可以直接从N面LED中更陡的能带图推断出来。 图3.在(a)13V,(b)8V和(c)0V的电压下偏
振掺杂的金属面和N面LED的能带图
为了进一步解释图2中观察到的现象，我们计算了正向偏置电压为8V和13 V时N面和金属面LED中电场和载流子浓度的分布。当计算电场时，考虑了自由载流子的筛选领域。 因此，阱内的总电场可写为：
（1）
其中分别代表自由载流子的内置场，极化场，外部电场和屏蔽场。对于N面偏振掺杂LED，量子阱层内的自发和压电分量的极化场方向与内建场的方向一致，与正向偏压场和自由载流子屏蔽场相反。因此，如图4所示，随着正向偏置电压的增加和阱内电子空穴对的积累，阱内的总电场迅速减小。总的内部电场减少将会使能带的能带图变平坦，从而增加电子和空穴波函数的重叠，从而导致EL强度的增加和反向QCSE的蓝移，如图2所示。对于金属面偏振掺杂的LED，量子阱层内极化场的方向与内建场和自由载流子场的方向相反，并与正向偏置场一致。金属面LED点亮后，自由载流子屏蔽场通过平衡正向偏置场对阱内总场产生重要影响，因此总内场几乎不变。因此，由于积累的电子 - 空穴对引起的增加的屏蔽场，随着正向偏置电压的进一步增加，阱中的能带图也保持很小的变化。这解释了为什么金属面LED中的EL强度趋于饱和并且发射峰在高正向电压下呈现轻微红移。
图4.在正向电压为8和13 V时，N面和金属面LED的电场分布图
在正向偏压8和13 V时，N面和金属面LED的载流子浓度分布如图5所示。可以看出，当施加的电压从8V变化到13V时，在金属面LED中的电子和空穴的浓度分布几乎没有变化，但在N面LED中变化明显。对于N面LED，随着施加电压的增加，载流子的分布中心向井的中心移动，载流子浓度，尤其是空穴的载流子浓度迅速增加，并且EL光谱中观察到的EL强度迅速增加，这与反向QCSE现象非常吻合。载流子浓度随正向施加电压的变化表明，N面LED与导通后的金属面LED相比具有更高的空穴注入效率。
图5.在正向电压为8和13 V时，N面和金属面LED的电子浓度(a)和空穴浓度(b)
总之，使用偏振诱导的p型掺杂的N面GaN基LED已经在理论上证明在这项工作中有着很不错的优越性。 N面LED中的极化场促进电子/空穴注入，并且通过平衡极化场，增加正向电压和载流子屏蔽效应，量子阱内的能带图变得平坦。这些情况在金属面LED中恰恰相反。因此，与金属面偏振掺杂LED相比，N面偏振掺杂LED可以在高正向电压下显著提高载流子注入效率和EL。
这项工作得到了中国国家973项目（2012CB619306,2009CB320300,2010CB327504），江苏省自然科学基金（BK2010045），国家自然科学基金（60936004,60990311）的支持。
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