關鍵詞： LED的秘密 , LED芯片 , LED照明

2011-11-11 10:18:01 上傳

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　　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域大施拳腳的主要原因。但RPI的研究人員表示，通過采用極性匹配的外延結構可以克服這一缺點。
　　LED制造商們目前非常關注一些新的市場，例如汽車前燈、大屏幕顯示和普通照明。從某種程度上說，降低價格能幫助LED打入這些領域，但僅僅如此還不夠。LED的芯片還需要在大驅動電流下也能實現高功效。這也意味著需要解決功率下降這一廣受關注的問題。
　　通過比較電和光激發LED的輸出情況，可以幫助RPI的相關研究人員研究GaN基器件功率下降的原因。
　　功率下降具體來說是指藍光、綠光和白光LED在電流增大時效率反而下降的現象。GaN基LED通常僅在電流密度10A cm-2時效率達到峰值，電流密度為100A cm-2時效率降為峰值的一半。這引起了大家的關注，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，而且它已經吸引了全球工業界和學術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院的研究團隊，我們在過去的幾年里一直在探索效率下降這一問題的根源。我們相信我們能找到癥結所在，并通過完全不同的LED設計克服這一問題。
　　我們與位于新墨西哥州Sandia國家實驗室的Mary Crawford研究小組合作，一起研究功率下降問題的成因。我們關注位錯密度對于LED效率的影響，發現位錯會降低低電流密度時的效率，但并不影響高電流密度下的效率降低問題。
　　在低電流密度時，載流子通常在一個陷阱輔助的過程（即SRH復合）中損失掉了，而且會隨著位錯密度的增加變得更加嚴重。通過增強自發輻射，加大電流密度起初會提高效率，但隨著電流的進一步增加，另一個與之抗衡的載流子損耗機制會引發效率的下降。
　　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。
　　我們的解釋能說明為什么高電流密度時效率下降的主要原因——當提高驅動電壓時，會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電極處的空穴進行非輻射復合（圖2）。
　　通過比較LED器件在電偏壓和光激發時的光輸出（詳見“探索LED的結構”），該理論已通過實驗得到了驗證。我們在使用數值模擬工具將載流子泄漏與極性失配聯系起來之前，就曾表明在量子阱外也有復合機制發生。
　　界面問題
　　我們的精力主要集中于在GaN傳統的晶面—c面上生長LED。這些器件通常有很強的內建電場，在界面處會產生相當強的表面電荷（詳見“感受內部的力”）。

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

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圖1b.非輻射機制在低驅動電流時占主導地位，隨著電流增加讓位于輻射復合，之后效率反而下降。
　　界面表面電荷會從兩個方面阻礙LED的性能。它們會提高電子注入多量子阱區的勢壘，同時降低來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，表面電荷通過電子的泄漏降低LED的性能，這也說明減少表面電荷可以緩解載流子的損失。計算同時表明缺乏對p型結構的重摻雜會加劇效率的下降，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，發射極的重摻雜能阻止少數載流子注入發射極。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——這反過來加劇了電子的泄漏。
　　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雙異質結上進行了若干光致發光的試驗，觀察到高光激發密度時效率亦出現了下降。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，在設計雙異質結時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時的自發輻射速率比無電場時的更高。但這與GaN量子阱中電場減弱自發輻射的事實相反。因此，我們感覺Lumileds高估了多量子阱LED中俄歇復合在大電流密度時的重要性。
　　布丁好不好吃，當然嘗過了才知道。最后將我們的模擬結果付諸實施，生長帶有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。