应变多量子阱结构蓝光LED芯片.doc

在LED中由不同应变层引起的p-GaN应变及其微观结构和发光特性
报告人：李尧2010.9.24
1.介绍
p-GaN一般由Mg掺杂获得，Mg是深能级受主原子，高浓度的Mg掺杂会加剧载流子散射，增大p型层电阻[2]。
为了提高B-或UV-GaN-LED的内量子效率，在InGaN/GaNMQWs（多量子阱层）附近可采用多种异质结结构[3]。据报道，低掺杂的p-GaN由于应变缓和作用，强的应变力会产生与Mg有关的缺陷[4]。
2.实验

图1.具有不同应变层的LED结构原理图
3.结果与讨论
TEM影像显示，在MQWs附近观察不到缺陷，但是在MQWs层InGaN/GaN界面处原子的周期性排列中断，如图2(c)和(d)，这表明，在MQW层中由In波动引起的应变是可以忽略的，四个样品MQW的微观特性是一致的。
在TEM影像中最明显的是观察到样品C和D的p型层中有暗反差的边缘,如图3(b)。据报道，重掺杂的P-GaN中大量的Mg会引起与Mg有关的缺陷[2,4]。据Choetal.报道，随着Mg掺杂量的增加，在P-GaN中应变会缓解，但会形成缺陷。在低浓度的P-GaN中，由于rMg＞rGa，替位原子Mg会引起应变的增强。

图2.样品B(a)和D(b)InGaN/GaNMQWs低分辨率TEM影像。样品B(a)和D(b)InGaN/GaNMQWs高分辨率TEM影像
在电镜影像中，我们观察到中等Mg掺杂浓度下的小暗斑和暗面，它们是由密相的Mg-N键引起的，如Mg3N2[2,5]。这样，在样品C和D的中的暗反差意味着Mg掺杂过量。然而，p-GaN的生长条件都是一样的，这样可以认为四个样品中p-GaN的Mg掺杂浓度是一致的。除了Mg掺杂浓度外，另一个引起缺陷的可能的原因是氮化物膜中存在着应变。
为了直观地比较具有不同结构的应变层应变状态，我们测出样品应变层GaN和n-GaN在晶向的原子间距。按公式f//=[d//()Spacer－d//()GaN]/d//()GaN计算应变指数，依次可得样品A，B，C和D

图3.样品B(a)和D(b)的LED结构的顶部影像。样品D应变层GaN及n-GaN在晶向晶格间距对比。
的应变指数分别为0.31%,0.35%,0.98%和0.92%，显然，样品C和D具有较高的应变，同样样品C和D中存在着暗反差，这与前面的理论恰好吻合，样品C和D中缺陷的产生与其强应变的释放有关。另外，在InGaN外延层，由于In-N键很弱，在生长温度超过900℃时In化合物浓度下降[6]，热应变将增强。
由图4.(a)可见，在室温下与Mg有关的缺陷的形成，会导致发光强度降低[4]。PL光谱强度与温度有关，如图4.(b)。

图4.(a)室温下样品A-D的PL光谱及(b)归一化的PL光谱强度与温度的关系
低温区域的活化能与界面粗糙度及In波动密切相关，与位错有关的非辐射复合与高温区域的活化能有关[7,8]。因此，样品在低温区域其界面粗糙度和热活化能是相同的。M.Hansenetal.[9]报道，高浓度的Mg掺杂会形成密相的Mg-N化合物，会导致氮化物电阻增大。

图5.样品B(有与Mg有关的缺陷)和D(无与Mg有关的缺陷)的I-V曲线图。
如图5，近似可得RB=5.3Ω，RD=6.6Ω。

图6.样品B(有与Mg有关的缺陷)和D(无与Mg有关的缺陷)的(a)EL光谱和(b)L–I曲线。
如图6，L-I曲线表明，在p-GaN中无缺陷的LED其发光效率较高，EL光谱峰值密度较有缺陷的可增加23.3%。因此，与Mg有关的缺陷会影响LED的电性能和发光强度，引起缺陷的应变必须加以抑制。
4.结论
应变层结构与应变状态密切相关，应变力的释放会在p-GaN中引起与Mg有关的缺陷，这些缺陷将导致LED发光效率降低，p-GaN电阻增大。因此，我们可以采取样品A的结构作为B-LED的标准结构。
5.参考文献
[1]E.Oh,H.Park,Y.Park,Appl.Phys.Lett.72(1998)70.
[2]M.Benaissa,P.Vennegues,B.Beaumont,P.Gibart,W.Saikaly,A.Charai,Appl.Phys.Lett.77(2000)2115.
[3]R.H.Horng,C.C.Yang,J.Y.Wu,S.H.Huang,C.E.Lee,D.S.Wuu,Appl.Phys.Lett.86(2005)221101.
[4]J.E.Northrup,Appl.Phys.Lett.82(2003)2278.
[5]D.P.Bour,H.F.Chung,W.Gotz,L.Romano,B.S.Krusor,D.Hofsetter,S.Rudaz,C.P.Kuo,F.A.Ponce,N.M.Johnson,M.G.Craf