效率下降是阻礙GaN基LED在高電流密度這一重要的新興應(yīng)用領(lǐng)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(jié)構(gòu)可以克服這一缺點(diǎn),。
LED制造商們目前非常關(guān)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(lǐng)域,，但僅僅如此還不夠,。LED的芯片還需要在大驅(qū)動電流下也能實(shí)現(xiàn)高功效。這也意味著需要解決功率下降這一廣受關(guān)注的問題,。
通過比較電和光激發(fā)LED的輸出情況,，可以幫助RPI的相關(guān)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(lán)光,、綠光和白光LED在電流增大時效率反而下降的現(xiàn)象,。GaN基LED通常僅在電流密度10A cm-2時效率達(dá)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(guān)注,，當(dāng)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(jīng)吸引了全球工業(yè)界和學(xué)術(shù)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(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)，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(jié)所在,，并通過完全不同的LED設(shè)計(jì)克服這一問題。
我們與位于新墨西哥州Sandia國家實(shí)驗(yàn)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(guān)注位錯密度對于LED效率的影響，發(fā)現(xiàn)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(fù)合）中損失掉了,，而且會隨著位錯密度的增加變得更加嚴(yán)重,。通過增強(qiáng)自發(fā)輻射，加大電流密度起初會提高效率,，但隨著電流的進(jìn)一步增加,，另一個與之抗衡的載流子損耗機(jī)制會引發(fā)效率的下降。
漏電的LED
我們還與韓國三星電機(jī)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(dǎo)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(dāng)提高驅(qū)動電壓時,，會導(dǎo)致更多注入的電子逃出有源層,，抵達(dá)LED的p型區(qū)，從而與p電極處的空穴進(jìn)行非輻射復(fù)合（圖2）,。
通過比較LED器件在電偏壓和光激發(fā)時的光輸出（詳見“探索LED的結(jié)構(gòu)”）,，該理論已通過實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證。我們在使用數(shù)值模擬工具將載流子泄漏與極性失配聯(lián)系起來之前,，就曾表明在量子阱外也有復(fù)合機(jī)制發(fā)生,。
界面問題
我們的精力主要集中于在GaN傳統(tǒng)的晶面—c面上生長LED。這些器件通常有很強(qiáng)的內(nèi)建電場,，在界面處會產(chǎn)生相當(dāng)強(qiáng)的表面電荷（詳見“感受內(nèi)部的力”）,。
LED芯片" height="280" src="http://files.chinaaet.com/images/20111101/92a14182-0e2e-41bb-9541-adf81d0468e5.jpg" width="366" />
圖1a. 對面積為1mm×1mm的傳統(tǒng)GaInN LED芯片進(jìn)行測量，揭示了在驅(qū)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(jī)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(jī)制在低驅(qū)動電流時占主導(dǎo)地位,，隨著電流增加讓位于輻射復(fù)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(qū)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(shè)，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(jì)算同時表明缺乏對p型結(jié)構(gòu)的重?fù)诫s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(jié)型晶體管的基極相比，發(fā)射極的重?fù)诫s能阻止少數(shù)載流子注入發(fā)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(qū)中空穴為多數(shù)載流子）注入有源區(qū)——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(shí)上，還有研究者提出了幾種不同的機(jī)制,。其中以Philips Lumileds研究人員提出的俄歇復(fù)合理論（Shen et al. 2007）為主流,。
在c面GaInN/GaN雙異質(zhì)結(jié)上進(jìn)行了若干光致發(fā)光的試驗(yàn)，觀察到高光激發(fā)密度時效率亦出現(xiàn)了下降,。使用速率模型分析使得他們將俄歇復(fù)合當(dāng)作是多量子阱LED效率降低的原因,。
為此他們引入了有效復(fù)合厚度的概念，在設(shè)計(jì)雙異質(zhì)結(jié)時選定的物理厚度更小,，因?yàn)榱孔于逯须娮雍涂昭ㄝ^小的重疊,。
將該復(fù)合厚度代入速率方程，得出量子阱在有電場時的自發(fā)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(fā)輻射的事實(shí)相反,。因此，我們感覺Lumileds高估了多量子阱LED中俄歇復(fù)合在大電流密度時的重要性,。
布丁好不好吃,，當(dāng)然嘗過了才知道。最后將我們的模擬結(jié)果付諸實(shí)施,，生長帶有AlGaInN勢壘層的LED,。用AlGaInN層替代傳統(tǒng)的GaN勢壘層和AlGaN電子阻擋層，使得我們能自由的調(diào)節(jié)帶隙寬度和極性,，并最終減少極性失配和有源區(qū)界面間的表層電荷,。
圖2. RPI的研究人員認(rèn)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(qū)或p電極處的空穴進(jìn)行非輻射復(fù)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(qū)動電流下仍能表現(xiàn)出優(yōu)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(xiàng)十分艱巨的任務(wù),，因?yàn)樯L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(diào)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(guān)鍵點(diǎn)是將勢壘的帶隙寬度略微減小,，就能在有源區(qū)內(nèi)形成附加的載流子約束,。
提高能效
這些調(diào)整已經(jīng)帶來一些令人鼓舞的結(jié)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(qū)的勢壘的高度，正向電壓也相應(yīng)的降低了,。減少量子阱區(qū)表面電荷的另一個好處是將總能效提高25%,。調(diào)整還帶來其它好處，由于量子阱內(nèi)的電場強(qiáng)度更低,，減少了波長隨電流變化而產(chǎn)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(fā)展有益,。我們加深了對它的了解，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)看上去能解決這個問題,。具有上述特性的商業(yè)器件就應(yīng)該積極籌備開拓新的市場,，直指終極目標(biāo)——替代通用照明燈泡。
探索LED的結(jié)構(gòu)
通過比較光激發(fā)和電偏壓時光的輸出,，倫斯勒理工學(xué)院的研究人員研究GaInN藍(lán)光LED中效率下降的問題,。上述比較是以電子和空穴的產(chǎn)生速率是相同的為前提，結(jié)果顯示效率下降是由于載流子輸運(yùn)引起的,。
在穩(wěn)態(tài)光激發(fā)的條件下,，不應(yīng)該存在例外的逃逸電子或空穴。如果發(fā)生了,，就會損失一種載流子——這意味著在量子阱內(nèi)形成了電場分布,，產(chǎn)生額外的載流子泄漏。電子或空穴自發(fā)的逃逸也不太可能,，因?yàn)榭昭ū粐?yán)格的約束在勢阱內(nèi),。
無論如何，部分載流子確實(shí)從勢阱中逃逸出來了。使用405nm激光轟擊這一結(jié)構(gòu),，會產(chǎn)生非零的開路電壓,。這是因?yàn)槠骷恼蚱秒妷盒枰聪螂娏鱽硌a(bǔ)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(yùn)?？昭ê碗娮訉α孔于宓淖⑷牒吞右菟俾蕰l(fā)生變化,，往往會導(dǎo)致電子從勢阱中泄漏出去。這需要LED在光激發(fā)和電偏置兩種情況下不同的光輸出效率來證明,。RPI進(jìn)行的測量證實(shí)了這一點(diǎn),。在電泵浦的器件中觀察到了效率的下降，但在光激發(fā)的情況下卻沒有,。這意味著某種形式的載流子復(fù)合機(jī)制在量子阱外的區(qū)域發(fā)生,，造成了效率的下降。
感受內(nèi)部的力
GaN具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu),，并在c晶向上存在極化電場,。當(dāng)LED生長在這個晶向上時，由于各相鄰層間在自發(fā)極化和應(yīng)變誘發(fā)的壓電極化兩方面存在差異,，會在界面間產(chǎn)生較大的表面電荷,。通過減少有源區(qū)的電子束縛以及增加有源區(qū)的電子泄漏，這些電荷會降低LED的效率,。
在傳統(tǒng)的藍(lán)光LED中,，GaN勢壘圍繞在GaInN量子阱的兩側(cè)，勢阱的n型區(qū)一側(cè)表面電荷為負(fù),。這些電荷會排斥電子,，并阻礙電子注入。勢阱的p型區(qū)一側(cè)表面電荷為正,，會吸收電子,，增加電子逃逸的可能性（圖a）。
AlGaN電子阻擋層具有相反的效果,。它們會在n型區(qū)一側(cè)產(chǎn)生正電荷,，使得電子更容易跨越勢壘（圖b）。通過提高Al組分來增加電子阻擋層的帶隙寬度并不是一個很好的解決辦法,，原因是表面電荷也會同時增加,。
發(fā)光效果取決于接觸面
一個美國團(tuán)隊(duì)將光致發(fā)光強(qiáng)度（PLI）作為電容-電壓（CV）光譜分析法的輔助技術(shù)，用以決定III-V族材料與電介質(zhì)之間的界面質(zhì)量,。
這些界面嚴(yán)重影響著III-V族MOSFET的性能,，作為一種可能拓展摩爾定律的器件，了解它的性能極其重要,。CV光譜分析法因其復(fù)雜性一般廣泛用于測量界面態(tài)密度,。
Matthias Passlack曾是前任飛思卡爾在德研究人員，現(xiàn)在正與英國格拉斯哥大學(xué)展開合作,。他表示,，“很不幸，CV或許被普遍誤解為非硅半導(dǎo)體的相關(guān)技術(shù),。相反,，PLI數(shù)字通譯更加直截了當(dāng)一些”，這是因?yàn)榧す饧ぐl(fā)是測量過程中唯一的可變量,。
利用PLI測量法得到了大量有關(guān)界面態(tài)密度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),。很顯然,，這種分析界面質(zhì)量的方法并不新鮮,。早在上個世紀(jì)90年代日本北海道大學(xué)的Hasegawa小組就用該項(xiàng)技術(shù)做過實(shí)驗(yàn)；而Passlack也于1994-1995年間在貝爾實(shí)驗(yàn)室建立了一些初步的PLI,，并于1996-1997年間在摩托羅拉構(gòu)建了當(dāng)前的器件結(jié)構(gòu),。
Passlack最近發(fā)表的論文對一門更為復(fù)雜的學(xué)科略有陳述，里面對基于GaAs的22種材料展開了研究,，包括GdGaO,、In2O3和Ga2O3電介質(zhì)；其中Ga2O3是唯一適合用作器件級界面的電介質(zhì),。Passlack想用PLI來分析InGaAs MOSFET,，并為格拉斯哥大學(xué)的Iain Thayne小組提供幫助，為他們建立一個能實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)測量的實(shí)驗(yàn)裝置,。