揭开LED最鲜为人知的秘密

图2. RPI的研究人员认为，电子逃逸是造成LED效率下降的主要原因。这些逃出的载流子与p型GaN区或p电极处的空穴进行非辐射复合。

图3.具有量子势阱和势垒极性匹配的LED通过减少电子泄漏，在大驱动电流下仍能表现出优异的性能。
　　对于量子势垒，我们将生长一种与GaN同样带隙宽度的四元化合物，并且能与典型量子阱的极性相匹配。这是一项十分艰巨的任务，因为生长高铟组分和高铝组分的AlGaInN层是非常困难的。但通过减少极性的不平衡，能显著地提高器件的性能。这也同样适用于电子阻挡层。
　　我们的模拟显示，对极性匹配做一下调整就能获得几乎所有的好处，而使用势垒和势阱只能减少一半的极性失配。关键点是将势垒的带隙宽度略微减小，就能在有源区内形成附加的载流子约束。
　　提高能效
　　这些调整已经带来一些令人鼓舞的结果。由于减缓了效率的下降，在大电流时光输出提高了20%（图3）。由于降低了载流子注入量子阱区的势垒的高度，正向电压也相应的降低了。减少量子阱区表面电荷的另一个好处是将总能效提高25%。调整还带来其它好处，由于量子阱内的电场强度更低，减少了波长随电流变化而产生的漂移。
　　很明显，人们对效率下降问题的兴趣在不断增加，这本身对LED的发展有益。我们加深了对它的了解，现有的设计看上去能解决这个问题。具有上述特性的商业器件就应该积极筹备开拓新的市场，直指终极目标——替代通用照明灯泡。
　　探索LED的结构
　　通过比较光激发和电偏压时光的输出，伦斯勒理工学院的研究人员研究GaInN蓝光LED中效率下降的问题。上述比较是以电子和空穴的产生速率是相同的为前提，结果显示效率下降是由于载流子输运引起的。
　　在稳态光激发的条件下，不应该存在例外的逃逸电子或空穴。如果发生了，就会损失一种载流子——这意味着在量子阱内形成了电场分布，产生额外的载流子泄漏。电子或空穴自发的逃逸也不太可能，因为空穴被严格的约束在势阱内。
　　无论如何，部分载流子确实从势阱中逃逸出来了。使用405nm激光轰击这一结构，会产生非零的开路电压。这是因为器件的正向偏置电压需要反向电流来补偿。净电流仍为零，这是任何一个没有接入外部电路的器件都必须遵守的。
　　正向偏置改变了LED的载流子输运。空穴和电子对量子阱的注入和逃逸速率会发生变化，往往会导致电子从势阱中泄漏出去。这需要LED在光激发和电偏置两种情况下不同的光输出效率来证明。RPI进行的测量证实了这一点。在电泵浦的器件中观察到了效率的下降，但在光激发的情况下却没有。这意味着某种形式的载流子复合机制在量子阱外的区域发生，造成了效率的下降。
　　感受内部的力
　　GaN具有纤锌矿晶体结构，并在c晶向上存在极化电场。当LED生长在这个晶向上时，由于各相邻层间在自发极化和应变诱发的压电极化两方面存在差异，会在界面间产生较大的表面电荷。通过减少有源区的电子束缚以及增加有源区的电子泄漏，这些电荷会降低LED的效率。
　　在传统的蓝光LED中，GaN势垒围绕在GaInN量子阱的两侧，势阱的n型区一侧表面电荷为负。这些电荷会排斥电子，并阻碍电子注入。势阱的p型区一侧表面电荷为正，会吸收电子，增加电子逃逸的可能性（图a）。

　　AlGaN电子阻挡层具有相反的效果。它们会在n型区一侧产生正电荷，使得电子更容易跨越势垒（图b）。通过提高Al组分来增加电子阻挡层的带隙宽度并不是一个很好的解决办法，原因是表面电荷也会同时增加。
　　发光效果取决于接触面
　　一个美国团队将光致发光强度（PLI）作为电容-电压（CV）光谱分析法的辅助技术，用以决定III-V族材料与电介质之间的界面质量。
　　这些界面严重影响着III-V族MOSFET的性能，作为一种可能拓展摩尔定律的器件，了解它的性能极其重要。CV光谱分析法因其复杂性一般广泛用于测量界面态密度。
　　
　　Matthias Passlack曾是前任飞思卡尔在德研究人员，现在正与英国格拉斯哥大学展开合作。他表示，“很不幸，CV或许被普遍误解为非硅半导体的相关技术。相反，PLI数字通译更加直截了当一些”，这是因为激光激发是测量过程中唯一的可变量。
　　利用PLI测量法得到了大量有关界面态密度的实验数据。很显然，这种分析界面质量的方法并不新鲜。早在上个世纪90年代日本北海道大学的Hasegawa小组就用该项技术做过实验；而Passlack也于1994-1995年间在贝尔实验室建立了一些初步的PLI，并于1996-1997年间在摩托罗拉构建了当前的器件结构。
　　Passlack最近发表的论文对一门更为复杂的学科略有陈述，里面对基于GaAs的22种材料展开了研究，包括GdGaO、In2O3和Ga2O3电介质；其中Ga2O3是唯一适合用作器件级界面的电介质。Passlack想用PLI来分析InGaAs MOSFET，并为格拉斯哥大学的Iain Thayne小组提供帮助，为他们建立一个能实现此项测量的实验装置。

来源：化合物半导体