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”）。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。