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(xiàn)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(fā)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(xiàn)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(jīng)吸引了全球工業(yè)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(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(fā)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(fā)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(qū)，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(fā)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(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合機制發(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的內(nèi)建電場，在界面處會產(chǎn)生相當強的表面電荷（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(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,，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(fā)射極的重摻雜能阻止少數(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(fā)光的試驗,，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(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(tǒng)的GaN勢壘層和AlGaN電子阻擋層，使得我們能自由的調節(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(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(qū)內(nèi)形成附加的載流子約束,。
提高能效
這些調整已經(jīng)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(qū)的勢壘的高度，正向電壓也相應的降低了,。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%,。調整還帶來其它好處，由于量子阱內(nèi)的電場強度更低,，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)有的設計看上去能解決這個問題。具有上述特性的商業(yè)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(fā)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(chǎn)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(wěn)態(tài)光激發(fā)的條件下,，不應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，因為空穴被嚴格的約束在勢阱內(nèi),。
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(chǎn)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?？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(fā)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(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(fā)極化和應變誘發(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)的藍光LED中,，GaN勢壘圍繞在GaInN量子阱的兩側，勢阱的n型區(qū)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(qū)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）。
AlGaN電子阻擋層具有相反的效果,。它們會在n型區(qū)一側產(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
一個美國團隊將光致發(fā)光強度（PLI）作為電容-電壓（CV）光譜分析法的輔助技術，用以決定III-V族材料與電介質之間的界面質量,。
這些界面嚴重影響著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展開合作,。他表示,，“很不幸，CV或許被普遍誤解為非硅半導體的相關技術,。相反,，PLI數(shù)字通譯更加直截了當一些”，這是因為激光激發(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界面態(tài)密度的實驗數(shù)據(jù),。很顯然，這種分析界面質量的方法并不新鮮,。早在上個世紀90年代日本北海道大學的Hasegawa小組就用該項技術做過實驗,；而Passlack也于1994-1995年間在貝爾實驗室建立了一些初步的PLI，并于1996-1997年間在摩托羅拉構建了當前的器件結構,。
Passlack最近發(fā)表的論文對一門更為復雜的學科略有陳述,，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,；其中Ga2O3是唯一適合用作器件級界面的電介質,。Passlack想用PLI來分析InGaAs MOSFET，并為格拉斯哥大學的Iain Thayne小組提供幫助,，為他們建立一個能實現(xiàn)此項測量的實驗裝置,。