采用MOCVD技術在硅襯底上生長了含有7個黃光量子阱和1個綠光量子阱的混合有源區(qū)結構的InGaN基黃綠雙波長LED外延材料,研究了電子阻擋層前p-GaN插入層厚度對黃綠雙波長LED載流子分布及外量子效率（EQE）的影響。通過LED變溫電致發(fā)光測試系統(tǒng)對LED光電性能進行了表征。結果表明,100 K小電流時隨著電流密度的增大,三組樣品的綠光峰與黃光峰相對強度的比值越來越大,且5.5 A·cm^-2的電流密度下,隨著溫度從300 K逐步降低至100 K,三組樣品的綠光峰與黃光峰相對強度的比值也越來越大,說明其載流子都在更靠近p型層的位置發(fā)生輻射復合。三組樣品的p-GaN插入層厚度為0,10,30 nm時,EQE峰值依次為29.9%、29.2%和28.2%,呈現(xiàn)依次減小的趨勢,歸因于p-GaN插入層厚度越大,p型層越遠離有源區(qū),空穴注入也越淺。電子阻擋層前p-GaN插入層可以有效減小器件EL光譜中綠光峰隨著電流密度增加時峰值波長的藍移（33 nm）,實現(xiàn)了對低溫發(fā)光光譜的調控。 

【文章來源】：發(fā)光學報. 2020,41(02)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

三組樣品的外延結構示意圖

圖2(a)、(d)表明樣品A隨著電流密度的增加,其綠光峰和黃光峰的比值持續(xù)增大,說明有更多的載流子在末阱的位置發(fā)生輻射復合,主要原因可能是隨著電流密度的增加,電子數(shù)量比空穴增加的更明顯,導致在末阱附近電子數(shù)量明顯多于空穴,且電子質量比空穴輕,遷移率更高,所以空穴在更靠近p型層的位置和電子發(fā)生輻射復合。當電流密度從0.07 A·cm-2增加到10 A·cm-2,樣品A的綠光峰與黃光峰的比值從1.45%增大到69.6%,黃光峰依舊為主要發(fā)光峰;當電流密度為20 A·cm-2,比值增大到131.73%,說明綠光峰的強度已經(jīng)超過黃光峰,出現(xiàn)反轉成為了主要發(fā)光峰;當電流密度從20 A·cm-2增加到50 A·cm-2,綠光峰一直為主要發(fā)光峰。此外,當注入電流密度為0.07 A·cm-2時,綠光峰值波長為539 nm,當電流密度增加到50 A·cm-2時,綠光峰值波長為506 nm,隨著電流密度的增加,其綠光峰藍移了33 nm。圖2(b)、(d)表明樣品B隨著電流密度從0.07 A·cm-2增加到20 A·cm-2,綠光峰與黃光峰的比值從1%增大到5.25%,原因與樣品A一樣,不再贅述;當電流密度從20 A·cm-2增加到50 A·cm-2,比值卻從5.25%減小到2.89%。樣品C的變化規(guī)律和樣品B類似,隨著電流密度的增大,綠光峰與黃光峰的比值先增大后減小,與樣品B不同的是,樣品C綠光峰與黃光峰的比值開始減小時的電流密度為4 A·cm-2,比樣品B的20 A·cm-2提前,可能原因是p-GaN插入層的存在導致EBL對電子的限制能力減弱,且厚度越大,EBL對電子的限制能力就越弱,因此隨著電流密度的增大,電子數(shù)量明顯增加,部分電子泄露到p-GaN插入層,使得載流子在綠光量子阱的輻射復合減少,綠光峰減弱。結合圖2(a)、(b)、(c)三幅圖可以看出,樣品A隨著電流密度的增加,其綠光峰藍移了33 nm,而樣品B和C隨著電流密度的增大,綠光峰位置漂移很小,可能是因為處于綠光阱和EBL之間的p-GaN插入層起到了一定的緩沖作用,減小了EBL對于綠光阱的應力[21-23],其次是因為綠光阱前先生長的黃光阱也可以起到緩沖應力的作用,減小了綠光阱所受應力[17]。對比可知,樣品A的綠光峰位置發(fā)生明顯藍移,可能是EBL對綠光阱的應力較大導致。樣品B、C綠光峰漂移減少還有一個可能的原因是綠光量子阱中的載流子填充水平低,發(fā)光峰很低就是證據(jù);而樣品A綠光峰藍移大的一個原因就是綠光阱的填充越來越高。圖3 (a)、(b)、(c)分別對應三組樣品在溫度100 K下電流密度依次為10,35,50 A·cm-2的歸一化光譜曲線,可以看出樣品A在100 K大電流密度下,綠光峰逐漸占據(jù)主導位置,且隨著電流密度的增大,綠光峰呈現(xiàn)出越來越強的趨勢。樣品B和樣品C在100 K大電流密度下,發(fā)光峰依舊以黃光峰為主,而綠光峰的強度隨著電流密度的增加呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。造成上述現(xiàn)象的主要原因可能是樣品A的綠光阱和EBL距離更近,其EBL對電子可以起到很好的限制作用;而樣品B和C的綠光阱與EBL之間的p-GaN插入層導致EBL對電子的限制作用減弱,使電子泄漏到p-GaN插入層,且p-GaN插入層可能由于缺陷較多,很難觀察到泄露峰。圖3(d)為三組樣品的歸一化IQE隨電流密度變化的曲線,可以發(fā)現(xiàn)在大電流密度下,樣品A有一個明顯的起伏,這是樣品A發(fā)光峰由黃光峰變化為綠光峰時的現(xiàn)象,與前面樣品A的光譜現(xiàn)象一致。

圖3 100 K時,三組樣品在10(a),35(b),50(c) A·cm-2電流密度下的歸一化光譜曲線及三組樣品的IQE隨電流密度的變化曲線(d)。圖5是A、B和C三組樣品在室溫測試條件下的外量子效率 (EQE) 隨電流密度變化的曲線,可以看出A、B和C三組樣品的EQE最大值分別為29.9%、29.2%和28.2%,呈現(xiàn)出依次減小的變化趨勢。原因可能是空穴主要集中在靠近p型層的位置,而由于p-GaN插入層的Mg濃度相對較低,其厚度越大,將會導致p型層的位置越遠離有源區(qū),空穴注入的也就越淺,不能夠到達更深層次的黃光量子阱處;其次還可能存在的原因為大注入電流密度下,樣品B和C的EBL對電子限制能力減弱導致電子泄露到p-GaN插入層。這兩方面原因均不利于載流子的輻射復合,因此三組樣品的EQE呈現(xiàn)出了A>B>C的規(guī)律。

【參考文獻】：
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本文編號：3122001