GaN基藍光LED的發(fā)明被譽為“愛迪生之后的第二次照明革命”。赤崎勇、天野浩與中村修二因“發(fā)明高效藍光LED，帶來了節(jié)能明亮的白色光源”共同獲得2014年諾貝爾物理學獎。利用藍光LED和熒光粉合成白光的LED燈效率已達到熒光燈的2倍，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于液晶顯示背光照明，正向家庭和辦公照明領(lǐng)域滲透，但還存在價格偏高的問題。傳統(tǒng)GaN基藍光LED一般工作電流密度為20A/cm2，提高LED的工作電流密度，可以在單位芯片面積上輸出更多的光，從而可以降低LED燈的成本，并使得LED適合應(yīng)用于汽車大燈和投影機等需要高亮光源的場合。但是，藍光LED在大電流密度工作時存在的效率下降問題，即Efficiency Droop，阻礙了其向大功率、高亮照明領(lǐng)域的發(fā)展。近年來，國內(nèi)外很多研究人員對引起效率下降的原因進行了研究，試圖解決藍光LED量子效率隨工作電流密度增加而大幅下降的問題。
中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所自建所以來就開展了GaN基藍光LED的研究工作，并在2010年實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。最近，蘇州納米所納米器件部劉建平團隊又在改善藍光LED效率下降的問題上取得了重要進展。通過采用新型藍光LED有源區(qū)結(jié)構(gòu)，研究人員在平片藍寶石襯底上實現(xiàn)了超低效率下降的藍光LED。研究成果發(fā)表在Applied Physics Letters (105， 173510 (2014)。在國際半導體產(chǎn)業(yè)界具有廣泛影響的知名雜志Semiconductor Today對此研究結(jié)果進行了專題報道。
圖1 高效率藍光LED結(jié)構(gòu)示意圖
研究人員所設(shè)計的LED結(jié)構(gòu)如圖1所示，該結(jié)構(gòu)中多量子阱(MQWs)有源區(qū)的量子壘(QBs)使用InGaN材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)藍光LED中使用較多的GaN材料，并且InGaN量子壘中的In摩爾組分是變化的，從P型層到N型層的方向階梯式降低(InGaN-SC QB)，即量子壘層的勢壘從P型層到N型層的方向階梯式降低。所設(shè)計的有源區(qū)結(jié)構(gòu)能降低空穴在有源區(qū)擴散的勢壘，從而使空穴在多量子阱中分布更均勻。而他們原來的研究發(fā)現(xiàn)(Appl. Phys. Lett. 93，021102 (2008)，傳統(tǒng)GaN量子壘(GaN QB)LED中大部分空穴分布在靠近P型層的1-2個量子阱中，造成在大電流密度注入下量子阱中載流子密度很高，從而導致LED效率下降。
圖2 不同電流密度下LED光功率和EQE
圖2給出了在平片藍寶石襯底上制作的InGaN-SC-QB LED芯片在電注入下輸出光功率和外量子效率(EQE)與傳統(tǒng)GaN-QB LED的比較。在200A/cm2的電流密度下，傳統(tǒng)GaN-QB LED的外量子效率下降百分比為28.4%，而InGaN-SC-QB LED外量子效率下降百分比僅有3.3%，對應(yīng)地，InGaN-SC-QB LED的輸出光功率比傳統(tǒng)GaN-QB LED高了47%。這表明蘇州納米所研制的新型InGaN-SC-QB LED工作可以在200A/cm2甚至更高的電流密度下，其比傳統(tǒng)LED工作電流密度增加了一個數(shù)量級。
該團隊還對新型InGaN-SC-QB LED低效率下降的物理機制做了實驗研究。所采用的方法被稱之為檢測阱方法(monitor well method)，即將藍光多量子中的一個阱替換為發(fā)光波長為480nm的長波長量子阱，用以估計該阱中的載流子密度與所處位置的關(guān)系。如圖3給出了在200A/cm2電注入下，InGaN-SC-QB LED與傳統(tǒng)GaN-QB LED中檢測阱的發(fā)光強度。該結(jié)果顯示在傳統(tǒng)GaN-QB LED中量子阱的發(fā)光強度從靠近P型的量子阱到靠近N型的量子阱近似指數(shù)下降，最靠近P型的量子阱的發(fā)光強度是最靠近N型的量子阱的發(fā)光強度的4.5倍，這也說明空穴的高度不均勻分布。而在InGaN-SC-QB LED中，發(fā)光強度的最大差別只有1.7倍，即第4個阱和第一個阱的差別。這個結(jié)果強有力地證實了空穴分布的改善，也揭示了InGaN-SC-QB LED中量子效率基本不下降的物理機制。
圖3 兩種LED結(jié)構(gòu)中檢測阱的發(fā)光強度與位置的關(guān)系
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