GaN基LED效率衰减问题 研究报告,材料物理与化学 杨孝东,2011.1.8,概要,1. LED发展趋势 2. LED效率衰减的原因 3. LED效率衰减的解决途径 4. 我们可以开展的工作 5. 结论,LED发展趋势,作为目前全球最受瞩目的新一代光源，LED因其高亮度；低热量；长寿命；可回收利用的优点，被称为21世纪最有发展前景的绿色照明光源。-族GaN基LED因发光波长涵盖了整个可见光波段，而备受关注。随着现有LED制造技术的成熟，LED向高亮度；大功率；低损耗方向发展，这就要求LED有大的注入电流，但GaN基LED随着注入电流的增加效率衰减是制约其发展的一个重要原因。更重要的是，对于其效率衰减的原因还没有一个明确的解释。,LED效率衰减原因,LED效率的衰减主要有两种情况，一：量子井中电子空穴复合但并未产生光子，即所谓的非辐射复合。二：电子空穴注入浓度不一，电子越过量子井而产生漏电流。上述两种情况都可导致LED效率的衰减，但是导致这两种情况发生的原因却有很多不同的说法。目前，主流说法包括俄歇复合1；极化效应2,3,4；位错密度5；大的空穴质量和低注入6,7,8（载流子均匀性）。,1. Y.-L. Li et al, Appl. Phys. Lett. 91, 181113（2007） 2.Jiuru Xu et al. Appl. Phys. Lett. 94, 011113 (2009) 3.S.C. Ling et al. Appl. Phys. Lett. 96, 231101 (2010) 4.M.F.Schubert et al. Appl. Phys. Lett. 93. 041102 (2008),俄歇复合,俄歇复合：半导体中，载流子从高能级到低能级的跃迁，电子和空穴复合时把能量通过碰撞而转移给另一个电子或另一个空穴的复合过程叫俄歇复合。这是一种非辐射复合。这种复合不同于带间直接复合，也不同于通过复合中心的间接复合，俄歇复合是电子和空穴的直接复合而同时将能量交给另一个自由载流子的过程。,5.M.F.Schubert et al. Appl. Phys. Lett, 91, 231114 (2007) 6.X.F. Ni et al. Appl. Phys. Lett, 93, 171113 (2008) 7.J.Q. Xie et al. Appl. Phys. Lett, 93, 121107 (2008) 8. X. Ni et al. Proc. of SPIE Vol. 72161W-1 (2010),俄歇复合示意图,极化效应,极化分为自发极化和压电极化。在一定温度范围内，单位晶胞正负电荷中心不重合，形成偶极矩，这种无外电场作用下存在的极化现象成为自发极化。压电极化：在电介质的极化方向上施加电场，电介质变形并在电介质的两个相对表面产生正负相反的电荷。,极化的影响：极化效应一方面使得半导体的能带弯曲，降低空穴注入效率，一方面在异质结表面产生极化电荷，降低LED效率。,极化效应下LED能带图,位错影响,Martin F. Schubert 研究了位错密度对LED效率衰减的影响，通过对两组不同位错密度的样品的分析，他发现低位错密度的样品有一个明显的EQE峰，随后效率开始衰减，对于高位错密度的样品，EQE峰值降低，效率衰减也随之降低。这就说明，位错不是效率衰减的主要原因。,样品A低位错密度 样品B高位错密度 从b图可以看出样品B的效率衰减明显比样品A的效率衰减弱,空穴的有效质量和注入效率的考虑,大的空穴有效质量，低的空穴迁移率使得空穴很难越过量子井势垒，进入其它量子井中，因此空穴主要存在于最接近P区的量子井中。电子阻挡层对空穴也有一定的阻挡作用，再加上低的P型参杂浓度，使得空穴的注入效率明显不如电子。,C面蓝宝石LED电子空穴分布，我们发现电子在量子井中基本上均匀分布，而空穴主要存在于最接近于p区的量子井中。,S. C. Ling et al. Appl. Phys. Lett, 96, 231101 (2010),LED效率衰减解决途径,位错和异质结结温同样被视为LED效率衰减的可能原因，但随着LED制造技术的成熟，位错和结温可以通过一定的方式削减；降低，但是对于效率衰减的改善并不明显，因此在效率衰减的解决途径上我们主要考虑三点，一：抑制俄歇复合 二：削减极化 三：增加空穴的注入；改善空穴分布均匀性。,俄歇复合的抑制,宽井是抑制俄歇复合的有效方法，飞利浦支持俄歇复合的说法，因此也赞同采用宽井来削减效率衰减。,Y.F. Li 研究了井宽对LED效率衰减的影响，他发现随着井宽的变宽，LED效率峰向大电流方向移动，效率衰减明显改善。,如左图所示，随着井宽从0.6nm 增加到1.5nm LED的效率衰减明显改善.,变温PL谱,通过变温PL谱我们得到相对内量子效率，我们发现相对内量子效率随着井宽的增加而下降，主要原因是，薄井中电子空穴波函数空间交叠，导致高的内量子效率，随着井宽的增加，内部极化增加导致电子空穴波函数分离，以致电子空穴空间分离，使辐射复合率下降。极化是靠载流子的注入来补偿的，一般情况下，对于宽井，内部极化很强，即使在200A/cm2的注入电流下，也会导致电子空穴的分离。虽然宽井能够改善LED的效率衰减，但并不能改善LED的效率，因此在LED产业上一般不采用这种方法，只有在实验室研究上才会使用。俄歇复合是LED效率衰减的一种可能原因，但是目前还没有实验能直接证明俄歇复合是效率衰减的主要原因，只能通过间接的实验证明，飞利浦公司也是如此。,Y.L. Li et al. Appl. Phys. Lett, 91, 181113 (2007),削减极化（一）,采用非极性的衬底，S. C. Ling 研究了非极性的m 面蓝宝石和极性的c面蓝宝石上LED的效率衰减，他发现对于m面蓝宝石上的LED即使注入电流达到100A/cm2效率衰减仅13%，而对于c面蓝宝石上的LED效率衰减为峰值的50%。,左图为m面和c面蓝宝石的ED光强和外量子效率,通过上图我们可以看出m面LED的能带弯曲明显改善，漏电流明显减小。,S. C. Ling et al. Appl. Phys. Lett. 96, 231101 (2010),疑问：既然m面蓝宝石LED能够有效的改善效率衰减，为什么LED产业仍以c面蓝宝石衬底为主？ 答：虽然m面为非极性面，但是m面蓝宝石衬底生长的LED的质量不如c面蓝宝石生长的LED。具体原因不详。,极化削减（二）,晶格匹配的In0.18Al0.82N电子阻挡层。Suk Choi 研究了InAlN; AlGaN和无电子阻挡层对LED电致发光强度和效率衰减的影响。,如左图所示晶格匹配的InAlN 电子阻挡层光输出和效率衰减明显改善。,Suk Choi et al. Appl. Phys. Lett, 96, 221105 (2010),极化削减（三）,极化匹配的GaInN/AlGaInN量子井LED。Martin F. Schubert 在这方面做了研究，他发现极化匹配的LED，光输出和效率衰减都得到了改善。,大电流注入下，极化匹配的井和垒使得界面处的极化电荷减小，减小了有源区的漏电流，增加了效率。,Martin F. Schubert et al. Appl. Phys. Lett. 93, 041102 (2008),Min-Ho Kim也做了这方面的工作，他发现通过使用AlGaInN作为垒层，极化效应减小，效率衰减减小，LED效率得到改善。,如上图所示极化匹配的GaInN/AlGaInN量子井LED能带弯曲明显改善，内量子效率提高，漏电流减小。,Min-Ho Kim et al. Appl. Phys. Lett. 91, 183507 (2007),极化削减（四）,极化匹配的InGaN/InGaN量子井LED。Jiuru Xu发现InGaN/InGaN量子井结构削减了有源区异质结表面大量极化电荷，增强了光输出，改善了效率衰减。,如上图所示，相对于InGaN/GaN量子井LED, InGaN/InGaN量子LED表现出更强的光输出，和更小的效率衰减。,Jiuru Xu et al. Appl. Phys. Lett. 94, 011113 (2009),增加空穴的注入；改善空穴 分布均匀性（一）,耦合量子井。Xiangfeng Ni 他的研究是将量子井垒层的厚度从12nm削减到3nm来研究效率的衰减情况，他发现量子井中空穴分布均匀性增加，效率衰减得到改善。,(a)为12nm (b)为3nm厚垒层LED量子井中空穴分布，我们可以看出3nm情况下，空穴分布明显更均匀 。,通过削减垒层厚度，效率衰减得到明显改善,Xiangfeng Ni et al. Appl. Phys. Lett. 93, 171113 (2008),增加空穴的注入；改善空穴 分布均匀性（二）,量子井垒层P参杂。既然空穴很难注入进量子井，我们可以考虑在量子井中进行P参杂。Jinqiao Xie对量子井垒层；n型GaN注入层参杂浓度和电子阻挡层对效率衰减做了系统的研究。,如左图所示，当垒层P参杂时，量子效率峰值向大电流方向移动，LED效率衰减得到明显改善。,Jinqiao Xie et al. Appl. Phys. Lett. 93, 121107 (2008),疑问：为什么不在量子井井中P参杂？ 答：GaN基LED的P参杂一般参Mg,可能因为镁对发光有湮灭作用，即所谓的“luminance killer”。所以未有在量子井井中掺镁的报道。,增加空穴的注入；改善空穴 分布均匀性（三）,改变电子阻挡层位置。Ray-Ming Lin研究了三种不同结构的LED。,样品A是没有电子阻挡层的，样品B电子阻挡层在N型GaN一侧，样品C电子阻挡层在P型GaN一侧。,注：对于样品B电子阻挡层的设计是个很好的想法，电子阻挡层放在N型GaN一侧，一方面对电子的注入有一个限制作用，一方面不会阻碍空穴的注入。,(a)为光输出功率图，(b)为外量子效率图，我们发现将电子阻挡层移至N型GaN一侧，对光输出功率有一个明显的提高。外量子效率峰位向大电流方向移动，效率衰减得到一定的缓解。,Ray-Ming Ling et al. Appl. Phys. Lett. 97, 181108 (2010),我们可以开展的工作,在总结别人工作的基础上，我们现在所要开展的工作主要从两方面入手，一方面进一步削减极化，另一方面增加空穴注入效率，改善空穴分布均匀性。也可以将这两者结合到一起来考虑。 实验设想一：Xiaofeng Ni通过减小垒层厚度形成耦合量子井，使得空穴穿过势垒达到分布均匀。我们同样可以通过削减势垒的高度，使得空穴较为容易的越过势垒，达到分布较为均匀。但是削减势垒高度会影响量子井对电子和空穴的限制作用，影响复合效率。所以在空穴分布均匀性和复合效率之间探索最佳值，这是我们需要做的工作。,实验方面考虑,实验设想二：受Ray-Ming Ling 的启发，我们将电子阻挡层移至N型GaN一侧，但是我们采用晶格匹配的AlInN作为电子阻挡层，这样进一步削减了极化作用，应该会使得效率衰减进一步改善。 实验设想三： 在实验二的基础上，在P型GaN一侧也加上晶格匹配的AlInN电子阻挡层，这样虽然对空穴的注入有一点的影响，但是它同意阻挡了电子穿过P区形成漏电流。,理论模拟考虑,利用crosslight 对可能的LED结构进行模拟计算，给实验一些指导。Yen-Kuang Kuo et al. Opt. Lett. Vol. 35, No. 19.,总结,LED效率衰减的根本原因尚不明确，但我认为GaN基LED之所以产生效率衰减而其它材料LED没有这种现象的主要原因在于GaN材料本身的性质，GaN属六角结构，极性材料。换句话说，我认为极化是效率衰减的重要原因，但是极化不可能是效率衰减的唯一原因，从上面的介绍我们也知道，通过增强空穴的注入；改善空穴的分布均匀性我们也可以改