2011-11-1 23:21:46 上傳

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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電極處的空穴進行非輻射復合。

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圖3.具有量子勢阱和勢壘極性匹配的LED通過減少電子泄漏，在大驅動電流下仍能表現出優異的性能。
　　對于量子勢壘，我們將生長一種與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，因為生長高銦組分和高鋁組分的AlGaInN層是非常困難的。但通過減少極性的不平衡，能顯著地提高器件的性能。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。關鍵點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
　　這些調整已經帶來一些令人鼓舞的結果。由于減緩了效率的下降，在大電流時光輸出提高了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好處是將總能效提高25%。調整還帶來其它好處，由于量子阱內的電場強度更低，減少了波長隨電流變化而產生的漂移。
　　很明顯，人們對效率下降問題的興趣在不斷增加，這本身對LED的發展有益。我們加深了對它的了解，現有的設計看上去能解決這個問題。具有上述特性的商業器件就應該積極籌備開拓新的市場，直指終極目標——替代通用照明燈泡。
　　探索LED的結構
　　通過比較光激發和電偏壓時光的輸出，倫斯勒理工學院的研究人員研究GaInN藍光LED中效率下降的問題。上述比較是以電子和空穴的產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。
　　在穩態光激發的條件下，不應該存在例外的逃逸電子或空穴。如果發生了，就會損失一種載流子——這意味著在量子阱內形成了電場分布，產生額外的載流子泄漏。電子或空穴自發的逃逸也不太可能，因為空穴被嚴格的約束在勢阱內。
　　無論如何，部分載流子確實從勢阱中逃逸出來了。使用405nm激光轟擊這一結構，會產生非零的開路電壓。這是因為器件的正向偏置電壓需要反向電流來補償。凈電流仍為零，這是任何一個沒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。空穴和電子對量子阱的注入和逃逸速率會發生變化，往往會導致電子從勢阱中泄漏出去。這需要LED在光激發和電偏置兩種情況下不同的光輸出效率來證明。RPI進行的測量證實了這一點。在電泵浦的器件中觀察到了效率的下降，但在光激發的情況下卻沒有。這意味著某種形式的載流子復合機制在量子阱外的區域發生，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晶向上存在極化電場。當LED生長在這個晶向上時，由于各相鄰層間在自發極化和應變誘發的壓電極化兩方面存在差異，會在界面間產生較大的表面電荷。通過減少有源區的電子束縛以及增加有源區的電子泄漏，這些電荷會降低LED的效率。
　　在傳統的藍光LED中，GaN勢壘圍繞在GaInN量子阱的兩側，勢阱的n型區一側表面電荷為負。這些電荷會排斥電子，并阻礙電子注入。勢阱的p型區一側表面電荷為正，會吸收電子，增加電子逃逸的可能性（圖a）。