揭秘LED最鮮為人知的秘密：感受內部的力

　　效率下降是阻礙GaN基LED在高電流密度這一重要的新興應用領(lǐng)域大施拳腳的主要原因。但RPI的研究人員表示，通過(guò)采用極性匹配的外延結構可以克服這一缺點(diǎn)。

　　LED制造商們目前非常關(guān)注一些新的市場(chǎng)，例如汽車(chē)前燈、大屏幕顯示和普通照明。從某種程度上說(shuō)，降低價(jià)格能幫助LED打入這些領(lǐng)域，但僅僅如此還不夠。LED的芯片還需要在大驅動(dòng)電流下也能實(shí)現高功效。這也意味著(zhù)需要解決功率下降這一廣受關(guān)注的問(wèn)題。

　　通過(guò)比較電和光激發(fā)LED的輸出情況，可以幫助RPI的相關(guān)研究人員研究GaN基器件功率下降的原因。

　　功率下降具體來(lái)說(shuō)是指藍光、綠光和白光LED在電流增大時(shí)效率反而下降的現象。GaN基LED通常僅在電流密度10A cm-2時(shí)效率達到峰值，電流密度為100A cm-2時(shí)效率降為峰值的一半。這引起了大家的關(guān)注，當今的高亮度芯片都需要在比10A cm-2大得多的電流密度下高效地工作。

　　攻克這一難題顯然非常重要，而且它已經(jīng)吸引了全球工業(yè)界和學(xué)術(shù)界大批研究人員的興趣，其中也包括我們位于紐約州特洛伊市倫斯勒理工學(xué)院的研究團隊，我們在過(guò)去的幾年里一直在探索效率下降這一問(wèn)題的根源。我們相信我們能找到癥結所在，并通過(guò)完全不同的LED設計克服這一問(wèn)題。

　　我們與位于新墨西哥州Sandia國家實(shí)驗室的Mary Crawford研究小組合作，一起研究功率下降問(wèn)題的成因。我們關(guān)注位錯密度對于LED效率的影響，發(fā)現位錯會(huì )降低低電流密度時(shí)的效率，但并不影響高電流密度下的效率降低問(wèn)題。

　　在低電流密度時(shí)，載流子通常在一個(gè)陷阱輔助的過(guò)程（即SRH復合）中損失掉了，而且會(huì )隨著(zhù)位錯密度的增加變得更加嚴重。通過(guò)增強自發(fā)輻射，加大電流密度起初會(huì )提高效率，但隨著(zhù)電流的進(jìn)一步增加，另一個(gè)與之抗衡的載流子損耗機制會(huì )引發(fā)效率的下降。

　　漏電的LED

　　我們還與韓國三星電機公司合作。這一努力終于讓我們找到了效率下降的原因——由于量子勢阱層、量子勢壘層和電子阻擋層之間的極性失配導致的有源層電子泄漏。

　　我們的解釋能說(shuō)明為什么高電流密度時(shí)效率下降的主要原因——當提高驅動(dòng)電壓時(shí)，會(huì )導致更多注入的電子逃出有源層，抵達LED的p型區，從而與p電極處的空穴進(jìn)行非輻射復合（圖2）。

　　通過(guò)比較LED器件在電偏壓和光激發(fā)時(shí)的光輸出（詳見(jiàn)“探索LED的結構”），該理論已通過(guò)實(shí)驗得到了驗證。我們在使用數值模擬工具將載流子泄漏與極性失配聯(lián)系起來(lái)之前，就曾表明在量子阱外也有復合機制發(fā)生。

　　界面問(wèn)題

　　我們的精力主要集中于在GaN傳統的晶面—c面上生長(cháng)LED。這些器件通常有很強的內建電場(chǎng)，在界面處會(huì )產(chǎn)生相當強的表面電荷（詳見(jiàn)“感受內部的力”）。

　　圖1a. 對面積為1mm×1mm的傳統GaInN LED芯片進(jìn)行測量，揭示了在驅動(dòng)電流大于10mA時(shí)輸出效率會(huì )降低。如果能完全避免引起效率下降的機制，LED芯片的效率則會(huì )隨著(zhù)電流的增加而不斷增加。

　　圖1b.非輻射機制在低驅動(dòng)電流時(shí)占主導地位，隨著(zhù)電流增加讓位于輻射復合，之后效率反而下降。

　　界面表面電荷會(huì )從兩個(gè)方面阻礙LED的性能。它們會(huì )提高電子注入多量子阱區的勢壘，同時(shí)降低來(lái)自量子阱和電流阻擋層上電子泄漏的勢壘。

　　我們的模擬支持了這一假設，表面電荷通過(guò)電子的泄漏降低LED的性能，這也說(shuō)明減少表面電荷可以緩解載流子的損失。計算同時(shí)表明缺乏對p型結構的重摻雜會(huì )加劇效率的下降，尤其是在電子阻擋層。

　　眾所周知，與雙極結型晶體管的基極相比，發(fā)射極的重摻雜能阻止少數載流子注入發(fā)射極。而在LED中，GaN和AlGaN層p型摻雜濃度低，阻礙了空穴（p型區中空穴為多數載流子）注入有源區——這反過(guò)來(lái)加劇了電子的泄漏。

　　我們對電子泄漏造成LED效率下降的解釋還并未得到廣泛接受；事實(shí)上，還有研究者提出了幾種不同的機制。其中以Philips Lumileds研究人員提出的俄歇復合理論（Shen et al. 2007）為主流。

　　在c面GaInN/GaN雙異質(zhì)結上進(jìn)行了若干光致發(fā)光的試驗，觀(guān)察到高光激發(fā)密度時(shí)效率亦出現了下降。使用速率模型分析使得他們將俄歇復合當作是多量子阱LED效率降低的原因。

　　為此他們引入了有效復合厚度的概念，在設計雙異質(zhì)結時(shí)選定的物理厚度更小，因為量子阱中電子和空穴較小的重疊。

　　將該復合厚度代入速率方程，得出量子阱在有電場(chǎng)時(shí)的自發(fā)輻射速率比無(wú)電場(chǎng)時(shí)的更高。但這與GaN量子阱中電場(chǎng)減弱自發(fā)輻射的事實(shí)相反。因此，我們感覺(jué)Lumileds高估了多量子阱LED中俄歇復合在大電流密度時(shí)的重要性。

　　布丁好不好吃，當然嘗過(guò)了才知道。最后將我們的模擬結果付諸實(shí)施，生長(cháng)帶有AlGaInN勢壘層的LED。用AlGaInN層替代傳統的GaN勢壘層和AlGaN電子阻擋層，使得我們能自由的調節帶隙寬度和極性，并最終減少極性失配和有源區界面間的表層電荷。

　　圖2. RPI的研究人員認為，電子逃逸是造成LED效率下降的主要原因。這些逃出的載流子與p型GaN區或p電極處的空穴進(jìn)行非輻射復合。

　　圖3.具有量子勢阱和勢壘極性匹配的LED通過(guò)減少電子泄漏，在大驅動(dòng)電流下仍能表現出優(yōu)異的性能。

　　對于量子勢壘，我們將生長(cháng)一種與GaN同樣帶隙寬度的四元化合物，并且能與典型量子阱的極性相匹配。這是一項十分艱巨的任務(wù)，因為生長(cháng)高銦組分和高鋁組分的AlGaInN層是非常困難的。但通過(guò)減少極性的不平衡，能顯著(zhù)地提高器件的性能。這也同樣適用于電子阻擋層。

　　我們的模擬顯示，對極性匹配做一下調整就能獲得幾乎所有的好處，而使用勢壘和勢阱只能減少一半的極性失配。關(guān)鍵點(diǎn)是將勢壘的帶隙寬度略微減小，就能在有源區內形成附加的載流子約束。
　　提高能效

　　這些調整已經(jīng)帶來(lái)一些令人鼓舞的結果。由于減緩了效率的下降，在大電流時(shí)光輸出提高了20%（圖3）。由于降低了載流子注入量子阱區的勢壘的高度，正向電壓也相應的降低了。減少量子阱區表面電荷的另一個(gè)好處是將總能效提高25%。調整還帶來(lái)其它好處，由于量子阱內的電場(chǎng)強度更低，減少了波長(cháng)隨電流變化而產(chǎn)生的漂移。

　　很明顯，人們對效率下降問(wèn)題的興趣在不斷增加，這本身對LED的發(fā)展有益。我們加深了對它的了解，現有的設計看上去能解決這個(gè)問(wèn)題。具有上述特性的商業(yè)器件就應該積極籌備開(kāi)拓新的市場(chǎng)，直指終極目標——替代通用照明燈泡。

　　探索LED的結構

　　通過(guò)比較光激發(fā)和電偏壓時(shí)光的輸出，倫斯勒理工學(xué)院的研究人員研究GaInN藍光LED中效率下降的問(wèn)題。上述比較是以電子和空穴的產(chǎn)生速率是相同的為前提，結果顯示效率下降是由于載流子輸運引起的。

　　在穩態(tài)光激發(fā)的條件下，不應該存在例外的逃逸電子或空穴。如果發(fā)生了，就會(huì )損失一種載流子——這意味著(zhù)在量子阱內形成了電場(chǎng)分布，產(chǎn)生額外的載流子泄漏。電子或空穴自發(fā)的逃逸也不太可能，因為空穴被嚴格的約束在勢阱內。

　　無(wú)論如何，部分載流子確實(shí)從勢阱中逃逸出來(lái)了。使用405nm激光轟擊這一結構，會(huì )產(chǎn)生非零的開(kāi)路電壓。這是因為器件的正向偏置電壓需要反向電流來(lái)補償。凈電流仍為零，這是任何一個(gè)沒(méi)有接入外部電路的器件都必須遵守的。

　　正向偏置改變了LED的載流子輸運?？昭ê碗娮訉α孔于宓淖⑷牒吞右菟俾蕰?huì )發(fā)生變化，往往會(huì )導致電子從勢阱中泄漏出去。這需要LED在光激發(fā)和電偏置兩種情況下不同的光輸出效率來(lái)證明。RPI進(jìn)行的測量證實(shí)了這一點(diǎn)。在電泵浦的器件中觀(guān)察到了效率的下降，但在光激發(fā)的情況下卻沒(méi)有。這意味著(zhù)某種形式的載流子復合機制在量子阱外的區域發(fā)生，造成了效率的下降。

　　感受內部的力

　　GaN具有纖鋅礦晶體結構，并在c晶向上存在極