如何減少高輸出功率LED勢阱/勢壘中的極化失配

　　據CompoundSemiconductor報道：美國倫斯勒理工學(xué)院（RPI）、韓國三星LED和浦項科技大學(xué)的科研人員正在聯(lián)合研發(fā)多量子阱（MQW）LED,與傳統使用GaN半導體材料作為勢壘（QB）層不同，在該項目中勢壘材料采用的是InGaN（《應用物理快報（APL）》2010年總第107卷，p063102）。勢阱材料同樣是InGaN,所不同的是In組分含量更高，從而產(chǎn)生比勢壘更窄的能帶（圖1）。其發(fā)光波長(cháng)為480-443nm位于藍光范圍490-440nm中。

　　上述設計的動(dòng)機是減少由InGaN和GaN材料之間晶格失配應變引起的壓電電場(chǎng)。同時(shí)諸如InGaN等氮化物半導體材料中會(huì )產(chǎn)生自發(fā)極化電場(chǎng)。橫跨LED結構的電場(chǎng)對器件的性能有若干負面影響。例如，電場(chǎng)能分離電子和空穴的波函數，進(jìn)而減少兩種載流子復合發(fā)光的機會(huì )。其他的影響還包括在不同的電流下造成發(fā)光波長(cháng)的偏移。上述顏色偏移對特定波長(cháng)的LED或LED加熒光粉白光器件是不利的，會(huì )造成顯色指數的不穩定。

　　RPI的研究人員在E FredSchubert教授的領(lǐng)導下已有多年研究LED中極化效應的經(jīng)驗。在最新發(fā)表的研究報告中，他們發(fā)現當驅動(dòng)電流上升時(shí)時(shí)勢阱和勢壘之間的極化失配以及波長(cháng)的藍移都有所減少（使用脈寬2微秒、占空比1%的脈沖電流避免自加熱現象）。正向電壓也更低（300mA時(shí)4.1V,對照InGaN/GaN器件則為4.6V），表明更高的效率以及更低的串聯(lián)電阻。從原子力顯微鏡圖片可以看到凹坑密度也更低，標明更少的線(xiàn)位錯密度。器件的反向漏電流也更低。

　　該項目中LED是基于金屬有機物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）在藍寶石襯底上外延生長(cháng)的多量子阱結構，其光輸出功率（LOP）和外量子效應（EQE）也得到了提高，詳見(jiàn)圖2.采用InGaN作為勢壘材料的新結構中外量子效應隨正向電流的增加也穩定提高，并在電流達到300mA時(shí)飽和。作為對比，傳統GaN勢壘對照結構現外量子效率在約10mA時(shí)到達峰值，并在300mA時(shí)已嚴重下降了約45%.

　　模擬計算表明InGaN/InGaN多量子阱LED與對照GaN勢壘結構相比極化電場(chǎng)大大削弱，正向電流0-300mA時(shí)前者為約0.8MV/cm,后者則為約1.2-1.4MV/cm.在上述相同的電流范圍中，GaN勢壘對照器件的發(fā)光波長(cháng)從465nm藍移到了低于445nm.InGaN勢壘LED的藍移則相對較小，在正向電流0-50mA發(fā)光波長(cháng)從448nm降至444nm,50-300mA間又微增至445nm