如何減少高輸出功率LED勢阱/勢壘中的極化失配

　　據(jù)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(tǒng)使用GaN半導(dǎo)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(yīng)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)光波長為480-443nm位于藍光范圍490-440nm中。

　　上述設(shè)計的動機是減少由InGaN和GaN材料之間晶格失配應(yīng)變引起的壓電電場。同時諸如InGaN等氮化物半導(dǎo)體材料中會產(chǎn)生自發(fā)極化電場。橫跨LED結(jié)構(gòu)的電場對器件的性能有若干負面影響。例如，電場能分離電子和空穴的波函數(shù)，進而減少兩種載流子復(fù)合發(fā)光的機會。其他的影響還包括在不同的電流下造成發(fā)光波長的偏移。上述顏色偏移對特定波長的LED或LED加熒光粉白光器件是不利的，會造成顯色指數(shù)的不穩(wěn)定。

　　RPI的研究人員在E FredSchubert教授的領(lǐng)導(dǎo)下已有多年研究LED中極化效應(yīng)的經(jīng)驗。在最新發(fā)表的研究報告中，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)驅(qū)動電流上升時時勢阱和勢壘之間的極化失配以及波長的藍移都有所減少（使用脈寬2微秒、占空比1%的脈沖電流避免自加熱現(xiàn)象）。正向電壓也更低（300mA時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(biāo)明更少的線位錯密度。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的多量子阱結(jié)構(gòu)，其光輸出功率（LOP）和外量子效應(yīng)（EQE）也得到了提高，詳見圖2.采用InGaN作為勢壘材料的新結(jié)構(gòu)中外量子效應(yīng)隨正向電流的增加也穩(wěn)定提高，并在電流達到300mA時飽和。作為對比，傳統(tǒng)GaN勢壘對照結(jié)構(gòu)現(xiàn)外量子效率在約10mA時到達峰值，并在300mA時已嚴重下降了約45%.

　　模擬計算表明InGaN/InGaN多量子阱LED與對照GaN勢壘結(jié)構(gòu)相比極化電場大大削弱，正向電流0-300mA時前者為約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)光波長從448nm降至444nm,50-300mA間又微增至445nm