|
GaP：N绿色LEDn2层载流子浓度的优化
赵普琴 杨锡震 薛洪涛 2002.07.09
摘要：在已报道p－n2－n1结的势垒分布计算的基础上，对该结构的浓度分布进行了计算。对于正偏情形，计入了n2区产生的压降。考虑到GaP:NLED发光区主要在p区，注入效率γ=jn(jn＋jp),jn和jp分别为电子电流和空穴电流。p区内的少子扩散可视为向无限远处的一维扩散；n2区内外加正向偏压时电场不能忽略，空穴又被n2－n1结势垒阻挡(设被完全阻挡)，则问题归结为求解有限厚度层中空穴的扩散和复合方程，由边界条件求出空穴扩散电流。将求出的电子扩散电流和空穴扩散电流代入注入效率的表达式即可求得γ。对在合理的参数值范围内的计算结果进行了讨论。分析表明：当n2值在1015～1016cm－3范围内时，注入效率较高，与实验结果基本相符。
关键词：GaP:NLED;结构参数优化；载流子；浓度
1、引言
近几年来，各种颜色的发光二极管(LED)已经取得了世人瞩目的成就，尤其是日本向世界市场大量提供商品，使得全色LED大屏幕显示成为现实。人们还在继续努力，希望提高LED的发光效率。但由于国内目前生产的GaP外延片制成的LED的发光亮度与日本同类产品相比还有一定的差距，所以国产LED的芯片大多还要依赖进口。为了提高国产LED的发光效率，对影响外延片发光亮度的各种因素的研究已有一些报道，对结构参数和工艺条件进行了优化。对于双n层结构的LED，n2层载流子浓度n2对注入效率影响较大。有实验表明，适当降低n2可提高LED的注入效率，本文根据n2与p－n2－n1结势垒分布和注入效率的关系，在合理的参数范围内，计算得出当n2值在1015～1016cm－3范围内时，注入效率较高，与实验结果基本相符。
2、计算方法
n2的大小对p－n2结和n2－n1结势垒的高低以及n2区电势的分布有明显的影响，而半导体中载流子浓度的分布又直接依赖于势垒分布，从而影响通过结区两侧少子的注入，最终影响到注入效率。
(1)载流子浓度的分布
在非简并情形和热平衡状态下(外加偏压为0)，电子和空穴浓度可表示为：
(1.1)其中，Ec为导带底，Ev为价带顶，Ef是电子和空穴的统一费米能级，Nc，Nv分别为导带和价带等效态密度。当对p－n2－n1结加正向偏压时，在p－n2结，n2－n1结以及n2区都会产生压降。由于注入少子的存在，电子和空穴不再有统一的费米能级，用Efn,Efp分别表示电子和空穴的准费米能级。费米能级主要在空间电荷区以外的1～2个少子扩散长度范围内降落。这样在正向偏压下载流子浓度的分布可表示为：
(1.2)根据已求的结的势垒分布和式(1)与式(2)可求出在热平衡和正偏电压两种情况下载流子浓度的分布，电子浓度的计算结果示于图1(a),(b)。
计算中所用参数为：偏压1.5V，p层掺杂浓度1×1017cm－3，n1层掺杂浓度5×1017cm－3，n2层厚度80μm，曲线1～4中n2分别为3×1015,5×1015,1×1016和3×1016cm－3，对应的少子(空穴)寿命分别为800，500，250和75ns。坐标选取如图2所示，x1和x4分别为p－n2和n2－n1结界面，x=0和x2分别为p－n2结的p侧和n2侧耗尽区边沿，x3和x5分别为n2－n1结n2侧和n1侧的结区边沿。
由图1可见：从p区向n2区过渡，电子浓度n迅速增大；从n2区n1区过渡，n值再次迅速增大，只是增加幅度小得多。空穴浓度p的变化趋势与n相反，图从略。
(2)注入效率
据报道，GaP:NLCD在n区和p区都发光。但发光区主要在p区。这样，注入效率
(3)其中，jn是电子扩散电流；
Dn,Ln分别为电子的扩散系数和扩散长度。
空穴扩散电流
Dp是空穴扩散系数。非平衡载流子浓度△n(x)，△p(x)可在合理的边界条件下，通过求解下列扩散区中的连续性方程获得：在p型扩散区中载流子浓度高，电阻率很低，电位降可忽略，故电场εx≈0。p区厚度远大于少子扩散长度，该区内的少子扩散可视为向无限远处的一维扩散。n2很低，外加正向偏压时的压降不能忽略，电场也不再能忽略。定义Λp=μpτpε为少子空穴的迁引长度，利用扩散长度Lp=，式(5)可改写为：
由于n2－n1结势垒的影响，扩散到n2－n1结附近的空穴一般不易通过。设空穴在该处完全被阻挡，则方程(6)可归结为求解有限厚度层中空穴的扩散和复合方程，上式的通解为：
系数C，D由边界条件确定。式中λ1,λ2分别为：
式中分别是正偏时n2－n1结区n2侧和n1侧的边界。上两式联立可求出系数C，D。这样，空穴扩散电流将求出的电子扩散电流和空穴扩散电流代入式(3)得
对n2层厚度dn2=8,10，12μm3种情形γ随n2变化的计算结果示于图3。计算中使用的参数如下：Dp≈2.0cm－2/s,Dn≈5.1cm－2/s,Lp=4.0～12.0μm,Ln≈7.0μm。
3、结果和讨论
(1)由图3可知，当n2<1016cm－3时，随n2降低，注入效率升高。这说明降低n2有利于提高注入效率。原因是降低n2一方面提高了少子寿命；另一方面又抑制了p区向n2区的空穴注入，从而提高了注入效率。因而n2的降低有利于提高LED的外量子效率，这与实验结果相符，这也正是LED采用双n层结构的一个重要原因。当然，由于工艺方面的限制，n2值不可能太低。但n2由1016cm－3逐渐增大到接近衬底浓度时，注入效率又出现了升高的趋势。这是因为随着n2的不断提高，电子的注入电流不断增大，由式(3)可见注入效率应随之提高。一般来讲，载流子浓度越高时，杂质和缺陷的影响也随之增强，例如复合中心浓度增大。所以n2的增大并不一定总能提高发光效率。综合考虑上述因素，n2的优化值应为1016cm－3以下工艺条件允许的极小值，一般来说，应在1015～1016cm－3范围。
(2)在半导体中，随着掺杂浓度的不同，少子的寿命有很大的变化范围，当n2层掺杂浓度接近1015cm－3时，少子寿命可达到800ns。本文计算中根据n2的变化范围，少子寿命在50～800ns范围内取值。早期报道：p型GaP中电子的迁移率在150～200cm2/V·s，n型GaP中空穴的迁移率在60～80cm2/V·s。用爱因斯坦关系D=(kT/q)μ和公式L=，由上述数据可求出少子的扩散长度。图3所示数据计算中所用参数均在上述数据的范围内。
<< 返回 >> |
