使用Nuwa TCAD 软件仿真UV-LED器件

GMPT, 2024/07/01

1. 背景介绍

   自1972年Pankove等人发明第一个氮化物发光二极管(LED)以来^[1]，氮化物LED的发展相当迅速，使得LED发光波长从红外延伸到紫外波段。1998年，Han等人制备了第一个发射波长短于360 nm的紫外UV-LED^[2]。此后，UV-LED技术经历了重大发展，其中深紫外线(DUV) LED受到了人们的广泛关注，并且在空气净化器、净水器、消毒和灭菌、聚合物固化和生物医学测试等方面得到了广泛应用。随着国际环保意识的不断提高，2013年国际水俣公约的签署意味着需要寻找新的物体来替代汞灯作为紫外线光源，这也同时推动了高效DUV-LED的发展，使得DUV-LED逐渐成为低压汞灯紫外光源的优秀替代品。

   紫外线辐射的波长介于可见光和X射线的波长之间，覆盖100至400 nm（12.4-3.1 eV），该波长范围可进一步细分为四个波段，即长波紫外线UVA（315-400 nm）、中波紫外线UVB（280-315 nm）、短波紫外线UVC（200-280 nm）和真空紫外（100-200 nm）。一方面，UVA是UV胶固化、光疗、空气净化和3D打印的主要光源。另一方面，UVB和UVC波段对应于DNA和RNA的吸收光谱的峰值，使得这些UV波段能够消除大量的病毒源。UVB可以用作保健、植物生长方面；UVC主要作为空气消毒、表面消毒、水消毒的主要波段。由于清洁水资源的稀缺，对水净化的需求不断增加，要求对水资源的清洁能力越来越高，UV-LED的应用场景与规模开始逐年扩展，特别是UVC在净化循环加工、灭菌等医疗应用方面具有相当大的发展潜力^[3]。

   因此，基于AlGaN材料的UV-LED的开发引起了越来越多研究人员的广泛关注。然而，UV-LED 的内量子效率 (IQE) 和发射功率相对较低^[4]，直接原因是高Al含量AlGaN UV-LED中空穴注入效率差、电子泄漏严重^[5]以及由于晶格失配^[6,7]和高位错密度^[8]导致的空穴泄漏。自发及压电极化^[9]和大内建电场^[10]引起的波函数分离也是造成UV-LED发射效率低的重要原因。

   为了解决这些存在问题，研究人员做了大量的工作，通过优化器件结构如采用布拉格增强型光栅^[11]、电子减缓层、电子阻挡层超晶格阶梯状势垒结构^[12]、阶梯Al组分势垒、InGaN组分LQB^[13]等方法来提高UV-LED的发光效率。本文采用Nuwa TCAD软件仿真AlGaN基深紫外LED的光电特性，并与实验结果进行了拟合，展示Nuwa TCAD 软件针对UV-LED器件光电特性仿真的功能和作用。

   本项工作中，基于蓝宝石衬底的InGaN/GaN LED结构设计如图1所示。LED主要结构层包括：蓝宝石衬底，厚度为100 $\mu \backslash mu$m，宽度为300 $\mu \backslash mu$m；厚度为2.5 $\mu \backslash mu$m，宽度为300 $\mu \backslash mu$m，掺杂浓度为$5\times 10^{18}{cm}^{-3}5\backslash times\; 10^\{18\}\; \{cm\}^\{-3\}$的n型GaN作为欧姆接触层；厚度为0.5 $\mu \backslash mu$m，宽度为200 $\mu \backslash mu$m，掺杂浓度为$5\times 10^{18}{cm}^{-3}5\backslash times\; 10^\{18\}\; \{cm\}^\{-3\}$的n型GaN作为约束层；5个周期的InGaN/GaN多量子阱有源区，量子阱InGaN中的In组分为0.11，厚度为2.2 nm，极化率为0.3，发射波长约为393 nm，量子垒为n型GaN，厚度为15 nm，掺杂浓度为$3\times 10^{17}{cm}^{-3}3\backslash times\; 10^\{17\}\; \{cm\}^\{-3\}$；随后是厚度为180 nm，掺杂浓度为$3\times 10^{17}{cm}^{-3}3\backslash times\; 10^\{17\}\; \{cm\}^\{-3\}$的p型AlGaN作为电子阻挡层；以及厚度为15 nm，掺杂浓度为$1.2\times 10^{20}{cm}^{-3}1.2\backslash times\; 10^\{20\}\; \{cm\}^\{-3\}$的p型GaN作为欧姆接触层。

2. 器件结构与模型参数

图1. UV-LED器件结构图 (a)实验结构图 (b)模拟结构图

   图1(a)为文献^[14]中UV-LED的器件结构图，图1(b)为Nuwa TCAD仿真器件结构图。根据文献^[14]所述器件结构图1(a)所示，UV-LED主要结构层包括: 3μm厚的n-Al_0.60Ga_0.40N层（Si：$5\times 10^{18}{cm}^{-3}5\backslash times\; 10^\{18\}\; \{cm\}^\{-3\}$），5对3 nm厚的未掺杂 Al_0.40Ga_0.60N QW和12 nm厚的未掺杂Al_0.50Ga_0.50N QB，20 nm厚的p-Al_0.65Ga_0.35N EBL（Mg：$4\times 10^{19}{cm}^{-3}4\backslash times\; 10^\{19\}\; \{cm\}^\{-3\}$），50 nm厚的p-Al_0.50Ga_0.50N层（Mg：$7\times 10^{20}{cm}^{-3}7\backslash times\; 10^\{20\}\; \{cm\}^\{-3\}$）和120 nm厚的p-GaN接触层（Mg：$5\times 10^{20}{cm}^{-3}5\backslash times\; 10^\{20\}\; \{cm\}^\{-3\}$）。在仿真计算中，Al_xGa_1−xN (0≤x≤1)的受主电离能(EA)从170到670 mev线性缩放。器件的典型芯片尺寸为400×400 μm2。对于AlGaN材料，能带偏移比设置为0.65/0.35。Shockley-Read-Hall (SRH)寿命、俄歇复合系数和辐射复合系数分别设置为6 ns、$18\times 10^{-42}{m}^6\mathrm{/}s18\backslash times\; 10^\{-42\}\; \{m\}^\{6\}/s$和$2.13\times 10^{-17}{m}^3\mathrm{/}s2.13\backslash times\; 10^\{-17\}\; \{m\}^\{3\}/s$。模拟中采用15%的光提取效率来计算UV-LED的光学特性。由于屏蔽效应，极化感应电荷密度被设置为计算值的60%。

3. 结果与讨论

3.1 电学特性

图2. I-V特性曲线

   I-V特性是表征LED芯片制备性能的主要参数，具有非线性和整流特性。如图2所示，仿真结果与实验结果拟合度很好。当正向电压未达到开启电压（4.2 V）时，外加电压主要用以克服载流子扩散形成的势垒电场，此时器件内电流很小；当电压超过4.2 V，此时LED为开启状态，电流指数型增长，呈现良好的导电特性。

3.2 光学特性

图3. 内量子效率曲线（IQE）

   图3为UV LED的内量子效率曲线，表征了LED有源区将注入的电子数转化为光子数的能力，其与光提取效率共同决定器件的外量子效率，即LED器件将电流转化为外界可探测到光的能力。如图3所示，仿真出的结果与文献仿真一致。 Nuwa TCAD软件采用ABC模型^[15]来描述量子阱中载流子的复合与内量子效率。在ABC模型中，内量子效率表示为：

$${\eta }_{\mathrm{I}\mathrm{Q}\mathrm{E}}=\frac{{\mathrm{B}\mathrm{n}}^2}{\mathrm{A}\mathrm{n}+{\mathrm{B}\mathrm{n}}^2+{\mathrm{C}\mathrm{n}}^3+\mathrm{f}(\mathrm{n})}\backslash eta\_\{\backslash mathrm\{IQE\}\}=\backslash frac\{\backslash mathrm\{Bn\}^2\}\{\backslash mathrm\{An\}+\backslash mathrm\{Bn\}^2+\backslash mathrm\{Cn\}^3+\backslash mathrm\{f\}(\backslash mathrm\{n\})\}$$

   其中n表示载流子密度，An表示SRH非辐射复合，这与晶体质量和缺陷密度有关。Bn²表示辐射复合，B为辐射复合系数。Cn³表示俄歇复合，C为俄歇复合系数，f(n)表示漏电流。

图4.器件发光功率曲线

   图4为UV-LED的发光功率曲线，表征为发射到自由空间的光功率，器件发光功率随着电流的增加而不断增大，并在电流达到60mA时达到最大发光功率。如图4所示，仿真得到的I-P曲线与实验结果一致。

3.3 光谱

图5.UV-LED在60mA注入电流下的发光光谱

   图5为UV-LED发光光谱的仿真和实验结果^[14]，可见，仿真结果与实验结果十分吻合，发光波峰位于285 nm附近。

3.4 能带与载流子分布

图6.有源区内量子阱能带图及波函数分布

   图6为器件在60mA时有源区内量子阱的能带图和波函数分布图，由于生长材料时不可避免的自发极化，以及不同材料晶格常数之间的不匹配导致材料横向与纵向产生张力或者缩力而引起的压电极化，致使能带发生不同程度的弯曲^[16]，这将导致电子和空穴波函数发生分离，如图所示，并最终导致LED发光效率降低，因此，改善极化效应也是提高GaN基LED内量子效率的有效手段。

图7. (a)有源区电子浓度和(b)空穴浓度分布图

   图7(a)和(b)分别为有源区内在60mA时电子与空穴浓度分布图，它反映了载流子在量子阱中分布的均匀性。LED的内量子效率与有源区载流子分布的均匀性和载流子的复合机制有密切联系。图8(a)和(b)分别为有源区内SRH复合速率与俄歇复合速率分布图，如图8(a)所示，在量子势阱内，载流子借助缺陷复合中心、陷阱能级进行SRH复合(非辐射复合)，同时量子阱内载流子散射几率随着载流子浓度的升高而增大，导致俄歇复合速率较高^[15]，与图8(b)所示一致。因此，改善载流子分布的不均匀性以降低量子阱内的SRH复合和俄歇复合是提高LED内量子效率的有效方法。通过优化电子阻挡层，减少电子泄露，添加空穴阻挡层，改善载流子传输等方案仍然是目前研究的重点方向^[17]。

图8. (a) 有源区SRH复合速率和(b)俄歇复合速率分布图

4. 结论

   综上所述，本文采用Nuwa TCAD软件对文献^[14]中的UV-LED器件的I-P、I-V、IQE、能带图、载流子浓度、辐射复合率等特性进行了全面的计算和拟合分析，并与文献中仿真曲线进行了比较，可见仿真结果十分准确，拟合度很高。本文仿真结果为进一步优化UV-LED器件结构及改善其光电特性提供了理论支撑。

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