GaN基LED效率衰減問題研究報告ppt課件

1、GaN基LED效率衰減問題研究報告材料物理與化學 楊孝東2019.1.8概要 1. LED發(fā)展趨勢 2. LED效率衰減的原因 3. LED效率衰減的解決途徑 4. 我們可以開展的工作 5. 結(jié)論LED發(fā)展趨勢 作為目前全球最受矚目的新一代光源，LED因其高亮度；低熱量；長壽命；可回收利用的優(yōu)點，被稱為21世紀最有發(fā)展前景的綠色照明光源。-族GaN基LED因發(fā)光波長涵蓋了整個可見光波段，而備受關(guān)注。隨著現(xiàn)有LED制造技術(shù)的成熟，LED向高亮度；大功率；低損耗方向發(fā)展，這就要求LED有大的注入電流，但GaN基LED隨著注入電流的增加效率衰減是制約其發(fā)展的一個重要原因。更重要的是，對于其效率衰減的

2、原因還沒有一個明確的解釋。LED效率衰減原因 LED效率的衰減主要有兩種情況，一：量子井中電子空穴復合但并未產(chǎn)生光子，即所謂的非輻射復合。二：電子空穴注入濃度不一，電子越過量子井而產(chǎn)生漏電流。上述兩種情況都可導致LED效率的衰減，但是導致這兩種情況發(fā)生的原因卻有很多不同的說法。目前，主流說法包括俄歇復合1；極化效應2,3,4；位錯密度5；大的空穴質(zhì)量和低注入6,7,8載流子均勻性）。1. Y.-L. Li et al, Appl. Phys. Lett. 91, 1811132019）2.Jiuru Xu et al. Appl. Phys. Lett. 94, 011113 (2021)3.

3、S.C. Ling et al. Appl. Phys. Lett. 96, 231101 (2019)4.M.F.Schubert et al. Appl. Phys. Lett. 93. 041102 (2019)俄歇復合 俄歇復合：半導體中，載流子從高能級到低能級的躍遷，電子和空穴復合時把能量通過碰撞而轉(zhuǎn)移給另一個電子或另一個空穴的復合過程叫俄歇復合。這是一種非輻射復合。這種復合不同于帶間直接復合，也不同于通過復合中心的間接復合，俄歇復合是電子和空穴的直接復合而同時將能量交給另一個自由載流子的過程。5.M.F.Schubert et al. Appl. Phys. Lett, 91, 2

4、31114 (2019)6.X.F. Ni et al. Appl. Phys. Lett, 93, 171113 (2019)7.J.Q. Xie et al. Appl. Phys. Lett, 93, 121107 (2019)8. X. Ni et al. Proc. of SPIE Vol. 72161W-1 (2019) 俄歇復合示意圖極化效應 極化分為自發(fā)極化和壓電極化。在一定溫度范圍內(nèi)，單位晶胞正負電荷中心不重合，形成偶極矩，這種無外電場作用下存在的極化現(xiàn)象成為自發(fā)極化。壓電極化：在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，電介質(zhì)變形并在電介質(zhì)的兩個相對表面產(chǎn)生正負相反的電荷。極化的影響：極

5、化效應一方面使得半導體的能帶彎曲，降低空穴注入效率，一方面在異質(zhì)結(jié)表面產(chǎn)生極化電荷，降低LED效率。 極化效應下LED能帶圖位錯影響 Martin F. Schubert 研究了位錯密度對LED效率衰減的影響，通過對兩組不同位錯密度的樣品的分析，他發(fā)現(xiàn)低位錯密度的樣品有一個明顯的EQE峰，隨后效率開始衰減，對于高位錯密度的樣品，EQE峰值降低，效率衰減也隨之降低。這就說明，位錯不是效率衰減的主要原因。樣品A低位錯密度 樣品B高位錯密度 從b圖可以看出樣品B的效率衰減明顯比樣品A的效率衰減弱空穴的有效質(zhì)量和注入效率的考慮 大的空穴有效質(zhì)量，低的空穴遷移率使得空穴很難越過量子井勢壘，進入其它量子井

6、中，因此空穴主要存在于最接近P區(qū)的量子井中。電子阻擋層對空穴也有一定的阻擋作用，再加上低的P型參雜濃度，使得空穴的注入效率明顯不如電子。C面藍寶石LED電子空穴分布，我們發(fā)現(xiàn)電子在量子井中基本上均勻分布，而空穴主要存在于最接近于p區(qū)的量子井中。S. C. Ling et al. Appl. Phys. Lett, 96, 231101 (2019)LED效率衰減解決途徑 位錯和異質(zhì)結(jié)結(jié)溫同樣被視為LED效率衰減的可能原因，但隨著LED制造技術(shù)的成熟，位錯和結(jié)溫可以通過一定的方式削減；降低，但是對于效率衰減的改善并不明顯，因此在效率衰減的解決途徑上我們主要考慮三點，一：抑制俄歇復合 二：削減極化

7、 三：增加空穴的注入；改善空穴分布均勻性。俄歇復合的抑制寬井是抑制俄歇復合的有效方法，飛利浦支持俄歇復合的說法，因此也贊同采用寬井來削減效率衰減。 Y.F. Li 研究了井寬對LED效率衰減的影響，他發(fā)現(xiàn)隨著井寬的變寬，LED效率峰向大電流方向移動，效率衰減明顯改善。如左圖所示，隨著井寬從0.6nm 增加到1.5nm LED的效率衰減明顯改善.變溫PL譜 通過變溫PL譜我們得到相對內(nèi)量子效率，我們發(fā)現(xiàn)相對內(nèi)量子效率隨著井寬的增加而下降，主要原因是，薄井中電子空穴波函數(shù)空間交疊，導致高的內(nèi)量子效率，隨著井寬的增加，內(nèi)部極化增加導致電子空穴波函數(shù)分離，以致電子空穴空間分離，使輻射復合率下降。極化是

8、靠載流子的注入來補償?shù)?，一般情況下，對于寬井，內(nèi)部極化很強，即使在200A/cm2的注入電流下，也會導致電子空穴的分離。雖然寬井能夠改善LED的效率衰減，但并不能改善LED的效率，因此在LED產(chǎn)業(yè)上一般不采用這種方法，只有在實驗室研究上才會使用。俄歇復合是LED效率衰減的一種可能原因，但是目前還沒有實驗能直接證明俄歇復合是效率衰減的主要原因，只能通過間接的實驗證明，飛利浦公司也是如此。Y.L. Li et al. Appl. Phys. Lett, 91, 181113 (2019)削減極化一） 采用非極性的襯底，S. C. Ling 研究了非極性的m 面藍寶石和極性的c面藍寶石上LED的效率

9、衰減，他發(fā)現(xiàn)對于m面藍寶石上的LED即使注入電流達到100A/cm2效率衰減僅13%，而對于c面藍寶石上的LED效率衰減為峰值的50%。左 圖 為 m面和c面藍寶石的ED光 強 和 外量子效率通過上圖我們可以看出m面LED的能帶彎曲明顯改善，漏電流明顯減小。S. C. Ling et al. Appl. Phys. Lett. 96, 231101 (2019)疑問：既然m面藍寶石LED能夠有效的改善效率衰減，為什么LED產(chǎn)業(yè)仍以c面藍寶石襯底為主？答：雖然m面為非極性面，但是m面藍寶石襯底生長的LED的質(zhì)量不如c面藍寶石生長的LED。具體原因不詳。極化削減二） 晶格匹配的In0.18Al0.

10、82N電子阻擋層。Suk Choi 研究了InAlN; AlGaN和無電子阻擋層對LED電致發(fā)光強度和效率衰減的影響。如左圖所示晶格匹配的InAlN 電子阻擋層光輸出和效率衰減明顯改善。Suk Choi et al. Appl. Phys. Lett, 96, 221105 (2019)極化削減三） 極化匹配的GaInN/AlGaInN量子井LED。Martin F. Schubert 在這方面做了研究，他發(fā)現(xiàn)極化匹配的LED，光輸出和效率衰減都得到了改善。大電流注入下，極化匹配的井和壘使得界面處的極化電荷減小，減小了有源區(qū)的漏電流，增加了效率。Martin F. Schubert et al

11、. Appl. Phys. Lett. 93, 041102 (2019) Min-Ho Kim也做了這方面的工作，他發(fā)現(xiàn)通過使用AlGaInN作為壘層，極化效應減小，效率衰減減小，LED效率得到改善。如上圖所示極化匹配的GaInN/AlGaInN量子井LED能帶彎曲明顯改善，內(nèi)量子效率提高，漏電流減小。Min-Ho Kim et al. Appl. Phys. Lett. 91, 183507 (2019)極化削減四） 極化匹配的InGaN/InGaN量子井LED。Jiuru Xu發(fā)現(xiàn)InGaN/InGaN量子井結(jié)構(gòu)削減了有源區(qū)異質(zhì)結(jié)表面大量極化電荷，增強了光輸出，改善了效率衰減。如上圖所示

12、，相對于InGaN/GaN量子井LED, InGaN/InGaN量子LED表現(xiàn)出更強的光輸出，和更小的效率衰減。Jiuru Xu et al. Appl. Phys. Lett. 94, 011113 (2021)增加空穴的注入；改善空穴分布均勻性一） 耦合量子井。Xiangfeng Ni 他的研究是將量子井壘層的厚度從12nm削減到3nm來研究效率的衰減情況，他發(fā)現(xiàn)量子井中空穴分布均勻性增加，效率衰減得到改善。(a)為12nm (b)為3nm厚壘層LED量子井中空穴分布，我們可 以 看 出3nm情況下，空穴分布明顯更均勻 。通過削減壘層厚度，效率衰減得到明顯改善Xiangfeng Ni et

13、 al. Appl. Phys. Lett. 93, 171113 (2019)增加空穴的注入；改善空穴分布均勻性二） 量子井壘層P參雜。既然空穴很難注入進量子井，我們可以考慮在量子井中進行P參雜。Jinqiao Xie對量子井壘層；n型GaN注入層參雜濃度和電子阻擋層對效率衰減做了系統(tǒng)的研究。如左圖所示，當壘層P參雜時，量子效率峰值向大電流方向移動，LED效率衰減得到明顯改善。Jinqiao Xie et al. Appl. Phys. Lett. 93, 121107 (2019)疑問：為什么不在量子井井中P參雜？答：GaN基LED的P參雜一般參Mg,可能因為鎂對發(fā)光有湮滅作用，即所謂的“

14、luminance killer”。所以未有在量子井井中摻鎂的報道。增加空穴的注入；改善空穴分布均勻性三） 改變電子阻擋層位置。Ray-Ming Lin研究了三種不同結(jié)構(gòu)的LED。樣品A是沒有電子阻擋層的，樣品B電子阻擋層在N型GaN一側(cè)，樣品C電子阻擋層在P型GaN一側(cè)。注：對于樣品B電子阻擋層的設(shè)計是個很好的想法，電子阻擋層放在N型GaN一側(cè)，一方面對電子的注入有一個限制作用，一方面不會阻礙空穴的注入。(a)為光輸出功率圖，(b)為外量子效率圖，我們發(fā)現(xiàn)將電子阻擋層移至N型GaN一側(cè)，對光輸出功率有一個明顯的提高。外量子效率峰位向大電流方向移動，效率衰減得到一定的緩解。Ray-Ming L

15、ing et al. Appl. Phys. Lett. 97, 181108 (2019)我們可以開展的工作 在總結(jié)別人工作的基礎(chǔ)上，我們現(xiàn)在所要開展的工作主要從兩方面入手，一方面進一步削減極化，另一方面增加空穴注入效率，改善空穴分布均勻性。也可以將這兩者結(jié)合到一起來考慮。 實驗設(shè)想一：Xiaofeng Ni通過減小壘層厚度形成耦合量子井，使得空穴穿過勢壘達到分布均勻。我們同樣可以通過削減勢壘的高度，使得空穴較為容易的越過勢壘，達到分布較為均勻。但是削減勢壘高度會影響量子井對電子和空穴的限制作用，影響復合效率。所以在空穴分布均勻性和復合效率之間探索最佳值，這是我們需要做的工作。 實驗方面考慮 實驗設(shè)想二：受Ray-Ming Ling 的啟發(fā)，我們將電子阻擋層移至N型GaN一側(cè)，但是我們采用晶格匹配的AlInN作為電子阻擋層，這樣進一步削減了極化作用，應該會使得效率衰減進一步改善。 實驗設(shè)想三： 在實驗二的基礎(chǔ)上，在P型GaN一側(cè)也加上晶格匹配的AlInN電子阻擋層，這樣雖然對空穴的注入有一點的影響，但是它同意阻擋了電子穿過P區(qū)形成漏電流。 理論模擬考慮利用crosslight 對可能的LED結(jié)構(gòu)進行模擬計算，給實驗一些指導。Yen-Kuang Kuo et al. Opt. Lett. Vol.