發(fā)光機制分析

低溫下GaN基LED發(fā)光機制分析LED的發(fā)展在20世紀最后十年間，半導體相關的材料技術、微芯片技術的快速發(fā)展使得LED照明技術的性能得到了大幅度的提升，在1994年日本科學家中村秀二通過在GaN基片上研發(fā)了一款藍光半導體，這使得GaN技術在LED領域的應用走入了一個高點，GaN基端的LED產品能夠實現高亮度、全色彩的發(fā)光需求。2014年4月1日在墨西哥，前貝爾實驗室的研究員，GaNgleOptronixLtd首席技術官、博士Hyam基德，在加勒比海“設備，電路，和系統(tǒng)(ICCDCS2014)IEEE國際會議”上，宣讀了一篇關于新型LED生產線的論文，發(fā)布了白光功率LED發(fā)光效率達到300lm/W?？梢?，半導體照明產業(yè)正向更高光效、更低成本、更多種類和更廣泛應用方向發(fā)展。LED相關理論發(fā)光二極管原理半導體二極管發(fā)光器件的主要組成結構是P-N結，是通過兩端的電子注入而進行發(fā)光，半導體材料一般是采用帶隙材料，本課題研究的GaN就是屬于帶隙材料。

LED效率LED的效率包含的范圍有量子效率、發(fā)光效率、光提取效率等。量子效率：量子效率是指LED在實際工作過程中，發(fā)光的電子由于內部吸收和損耗而對理論的發(fā)光光子輸出量造成的影響。量子效率可以分為內外兩種。內量子效率

外量子效率發(fā)光效率：發(fā)光效率表示的是LED發(fā)光系統(tǒng)將吸收的光子能量轉換為輸出光能的效率，計量單位是1m/W等等InGaN/GaNMQWsLED的光學性質的測試和分析光致發(fā)光測試：光致發(fā)光，牽涉到一個由電磁(Electro-Magnetic)輻射激發(fā)的系統(tǒng)，在分類上是屬于光學發(fā)光的技術。當入射光(電磁輻射)照射在樣品上時，導致電子被升高至激發(fā)態(tài)，描繪如圖，典型的能帶躍遷過程。自從雷射可用來提供「足夠的功率激發(fā)適當的訊號」后，入射光典型地來自于雷射光源(能量)。當激發(fā)態(tài)電子返回初始能態(tài)時，它會生一個光子(能量)，也可能產生許多的聲子(能量)。由量守恒，可將其表示為方程式（雷射光源）（光子）（聲子）光致發(fā)光可用來觀察較塊狀半導體復雜成份結構的樣品。它可用來研究樣品成長的好壞，及證實成長的成份。這是因為借由光致發(fā)光量測變化可知雜質與結構上不同的能量差異。如能帶圖所示:(a),(b)光吸收過程與(c),(d)光致發(fā)光。圖(b)中指光吸收過程需要光子和聲子(x)。圖(c)和(d)呈現除了光子放射外(PL)，聲子的放射是會發(fā)生的(*)，因為和光激發(fā)的長度有關，另外，對間接能隙(d)而言，聲子的放射(o)為了動量守恒。時間分辨PL（TRPL）測試半導體材料的能帶結構、摻雜離子、晶體質量、缺陷狀態(tài)嚴重影響著載流子的復合過程。通過TRPL測試，可以得到樣品的載流子壽命，從而分析以上性質對載流子復合過程的影響。TRPL測試系統(tǒng)采用的是時間關聯單光子計數方法（TimeCorrelatedsinglephotocounting，TCSPC）來測量載流子壽命。其原理是使用微弱脈沖光源激發(fā)樣品，同時記錄脈沖光源激發(fā)的初始時間，使熒光進入單光子探測儀，每次脈沖激發(fā)記錄特定波長的光子，將單熒光光子出現的時間和脈沖激發(fā)初始時間的間距記錄下來，多次計數，得出特定波長熒光光子的時間分布，即為光強隨時間的衰減曲線。InGaN/GaN多量子阱發(fā)光的機制如圖分別InGaN/GaN量子阱在未加極化電場，加上極化電場以及高載流子注入時的能到結構對比圖，如（a）,（b）所示，加上電場后，有效禁帶寬度比未加時小，而（c）在大電流注入時，載流子屏蔽了部分的極化電場，使得量子阱的禁帶寬度變大，從而出現發(fā)光波長藍移的現象。從（b），（c）中我們可以看到，及極化場會使得電子空穴波函數分別往量子阱的兩側偏移，降低電子空穴的復合幾率，從而降低內量子效率。低溫下GaN基LED性能分析如圖所示，這是我們在低溫25K下測試的在不同的電流下的綠光光譜圖，隨移，但是藍移到一定的程度后又開始紅移。且從中我們可以看出，在大電流下，其半波寬是明顯展寬的，特別是在500mA后光譜的形狀發(fā)生了明顯的改變，光譜的峰值波長出出現了尖峰。光效分析圖在圖中，我們通過測試從25K-300K中的光譜來分析droop效應，上圖所示的是在350mA下不同溫度下的光譜。從上圖中，我們可以看到，隨著溫度的上升，光功率是整體下降的，而且還發(fā)生了略微的紅移，有一種整個光譜被壓縮的感覺。且從光譜峰值波段看，其有明顯變平的趨勢，且光譜的光滑度降低。外量子效率隨電流變化趨勢圖所表示的是在不同溫度下，外量子效率（EQE）隨電流變化的趨勢圖，在上圖中，我們可以看到，溫度越低，其EQE是越高的，且在溫度達到120K后這種趨勢更加明顯，在更低溫下雖然也有這樣的趨勢，但EQE曲線在小電流是的重合度較高，而且下降的電流點隨著溫度的升高上升了。特別地對于小電流時，隨著溫度的上升，其EQE的上升斜率變大了，在25K時，EQE在小電流時已經變成了一條直線。實驗解釋我們討論的重點是對于大電流下EQE下降，從上面的實驗數據的分析，先從圖3上看，在低溫小電流下，其EQE是平的，通過查閱相關的文獻，我們知道在低溫小電流下，局域態(tài)的影響非常大，所以在小電流下，其局域態(tài)對發(fā)光復合起的主要作用，但同時隨著電流的逐漸增大，解局域態(tài)是越來越明顯的，所以即使在低溫下EQE也不會繼續(xù)上升而是持平，而隨著溫度上升，開始了解局域態(tài)，所以EQE普遍下降。而對于后面的droop點而言，發(fā)生在30mA-70mA，此時對于半導體而言，其發(fā)光機制應該主要是以帶邊輻射為主的，所以此時應該與量子阱中的束縛態(tài)相關，光效下降的原因有很多，但我們猜測引起其變化的主要原因是因為載流子的溢流，從圖2的光譜中我們可以看到，隨著溫度升高，在峰值波長段，其光譜變得沒有低溫下這么平坦，我們猜測對于大電流而言，其能束縛在量子阱里面的電子數是有限的，所以在注入濃度達到一定的值后，更多的注入載流子并不能引起輻射復合的增加，反而導致了電流溢出的現象產生，溢出的電流直接從n區(qū)中跑到了p區(qū)，且從圖1中我們可以看見，不同電流下的半波寬是增加的。主要的原因是隨著電流注入的增大，量子阱中占據的態(tài)也相對變大，與此同時，費米能級也上升了，所以在量子阱中占據的態(tài)也變多了，且逐漸向峰值波長靠攏，所以展寬的部分基本就是由于費米能級的變化而產生的。實驗解釋對于droop的電流點隨著溫度的上升逐漸變大，與我們解釋的droop原因相對的，也可以歸結為因為量子阱中束縛態(tài)的影響，因為束縛態(tài)的多少與溫度之間的原因也是密不可分的，隨著溫度的升高，束縛態(tài)的濃度對溫度的敏感程度變低，所以在溫度升高時，其量子阱中束縛態(tài)達到飽和的極限值時的注入電流反而變高了。此外，在圖1中，隨著電流增大，其光譜的峰值發(fā)生了藍移，對于此我們給出的解釋是因為在電流增大的同時，電壓也變大了，所以導致了能帶也發(fā)生從了傾斜，隨著傾斜的程度越大，其發(fā)生輻射復合的能帶中心在不斷上升，而就有了藍移的現象，而隨著電流的繼續(xù)增大，它又開始紅移，這時的主要原因可能是因為管子自身發(fā)熱而導致了結溫并不能穩(wěn)定在我們設定的溫度，所以是溫度導致的紅移。致謝隨著論文的截稿也預示著我四年的大學學習生涯即將畫上句號，在大學的學習生活給我的人生帶來了巨大的影響，前半段的學習并不認真的我，越發(fā)的知道對生活的態(tài)度決定我們以后的生活方式。在此畢業(yè)之際，向陪我度過四年學習生涯的老