蓝光和绿光InGaN基发光二极管（LED）和激光二极管（LD）的自发发射研究
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1. 概述
本工作研究了基于蓝色和绿色GaN的发光二极管（LED）和激光二极管（LD）中的效率下降现象，这对高功率LED构成了重大挑战，其特征是在更高的注入电流下外部量子效率降低。利用蓝色和绿色LED和LD的相同外延结构，仅在铟成分上发生变化，该实验揭示了随着注入电流的增加，发射波长逐渐发生蓝移。值得注意的是，与绿色LED相比，蓝色LED表现出较小的偏移。此外，发射光谱的半峰全宽随着注入电流密度的增加而增加，这表明效率下降。值得注意的是，尽管LD在较高的电流密度下工作，但其结温始终较低。这归因于脊形波导LD结构增强的散热能力，与台面LED结构相比，这导致更窄的发射光谱和降低的效率下降。这些结果突出了脊波导LD结构在有源层散热方面的效率，为高功率发光器件的发展提供了重要的见解。
2. 样品制备
研究人员通过改变InGaN/GaN多量子阱（MQW）中的铟成分，制备了两种不同发射波长的GaN基LD结构：蓝光（~440nm）和绿光（~530nm）。如图1 a 所示，在无掩模横向外延生长 (LEO) GaN 工艺中，首先生长一个 2.0 µm 厚的 GaN 层，称为“种子 GaN”。随后，使用电感耦合等离子 (ICP) 蚀刻机沿 GaN [1–100] 方向在该种子 GaN 层中蚀刻出周期为 12 µm、宽度为 4 µm 的条纹图案。随后，利用金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 在准备好的衬底上沉积第二层表现出横向生长的 GaN 层。两种 LD 外延结构均使用 MOCVD 在 c 面无掩模 LEO GaN/蓝宝石衬底上生长。这些结构包括200周期的n-包层和100周期的p-包层，每个包层由2.5nm-Al0.08Ga0.92N/2.5nm厚的GaN超晶格组成。此外，它们包括0.1μm厚的GaN n/p波导、MQW和LEO GaN外延层上的电子阻挡层，其位错密度为5×106/cm2，如图1b所示。有源层包括2.0 nm厚的InxGa1−xN阱，由7.5 nm厚的IniyGa1-yN势垒分隔，x被配置为15%和25%，y被固定在2.0%，分别对应于440 nm和520 nm附近的发射波长。蓝光In0.15Ga0.85N量子阱和绿光In0.25Ga0.75N量子阱的生长温度分别为750°C和700°C。采用Al0.3Ga0.7N/GaN多量子势垒作为电子阻挡层，以有效地抑制电子溢出到p型掺杂层。
为了评估低电流密度和高电流密度下的发射特性，使用标准工艺制造了传统的台面结构LED和脊型LD，分别如图1c、d所示。这些器件使用相同的外延结构，唯一的变化是量子阱中的铟成分。传统台面型LED结构的尺寸为600×600μm2，而脊波导LD结构的尺寸则为2.0×650μm2。在LED制造中，由包含p-AlGaN/GaN超晶格的LD外延结构组成的LED被期望最小化电流拥挤，因为包含二维空穴气体的超晶格结构表现出电流扩展效应。因此，没有使用额外的透明电极，如图1c所示。此外，LD器件的结构如下：使用化学辅助离子束蚀刻（CAIBE）系统制备了宽度为2.0μm、腔长为650μm的脊波导激光二极管。使用电子束蒸发器形成用于p型和n型GaN（分别为Pd/Pt/Au和Ti/Al）的欧姆接触。采用快速热退火工艺进行p型活化。在LED和LD制造后，对LEO GaN/蓝宝石衬底上的LED和LD的背面进行抛光，并进行干法蚀刻以去除研磨和抛光中的缺陷。通过解理制备镜面，并在正面（95%反射率）和背面（99%反射率）涂覆高反射多层膜。
图1 （a）减少晶体缺陷的GaN膜的无掩模横向外延生长过程；（b）在无掩模LEO GaN外延片上生长的GaN基LD结构的截面透射电子显微镜图像；（c）传统台面型LED的示意图；以及（d）脊型LD结构
在直流偏置条件下，在室温下对蓝光和绿光 GaN 基 LED 和 LD 外延结构进行了电致发光 (EL) 测量。需要注意的是，由于 LD 和 LED 之间的发射方向，LED/LD 的光输出功率是在积分球中进行的。使用安捷伦科技的 HP4155 参数分析仪对两种器件的光输出功率 (L)-电流 (I)-电压 (V) 分析进行了表征。然而，由于结构不同，直接比较每种器件之间的光输出功率仍然具有挑战性。因此，在本研究中，采用归一化外部量子效率 (EQE) 作为比较器件间最大 EQE 和相对效率下降的工具。此外，当工作电流密度超过阈值时，发射光谱的半峰全宽 (FWHM) 明显变窄，表明向激光操作典型的更相干的光发射过渡。因此，研究人员在激光开始前对阈值电流以下区域内的 LD 中的自发辐射进行了详细分析。结温通过正向电压法测定，采用脉冲校准测量，工作温度范围为 25 °C 至 90 °C。此外，结温测量是通过改变直流电流获得的。此外，使用 EL 光谱的高能量斜率来表征载流子温度。
图2 基于InGaN的（a）蓝光LED、（b）绿光LD、（c）蓝光LD和（d）绿光LD的EL光谱；作为注入电流密度的函数的蓝光LED/LD和绿光LED/LD的EL（e）发射波长和（f）光谱FWHM
图3 发光器件结构中（a）蓝光和（b）绿光InGaN量子阱区域的高分辨率TEM图像
图4 蓝光和绿光 ( a ) LED 和 ( b ) LD 的I-L曲线；蓝光和绿光( c ) LED 和 ( d ) LD的I-V曲线
图5 蓝光和绿光LED/LD 的归一化外部量子效率与（ a）注入电流和（b）注入电流密度 的关系
图6 具有不同注入电流和电流密度的蓝/绿光 LED 和 LD 的 （a）结温和（b）载流子温度
3. 结论
本工作研究了蓝光和绿光 GaN 基 LED 和 LD 中的效率下降现象，重点研究了自发辐射区域。利用相同的外延结构（只有铟成分不同），研究人员在低注入电流和极高注入电流区域进行了实验，以排除电子溢流和晶体缺陷等可能的原因。
结果表明，尽管 LD 在更高的电流密度下工作，但其结温与载流子温度始终低于 LED。脊波导 LD 结构表现出卓越的散热性能，与台面 LED 结构相比，其发射光谱更窄，效率下降更低。这凸显了 LD 结构在从有源层散热方面的有效性，为高功率发光器件的设计优化提供了宝贵的见解。这些发现有助于解决效率下降问题并提高 InGaN 基光电器件的性能。
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