應(yīng)變工程項目大幅提高了綠色LED的光輸出

中國科學(xué)院近日發(fā)布的一份報告稱，中國研究人員利用應(yīng)變工程已將150mA的電流注入了530nm發(fā)光的二極管（LED），光的輸出功率提高了28.9%。此項研究是中科院半導(dǎo)體研究所和香港大學(xué)的合作項目。

　　傳統(tǒng)LED和淺量子阱（SQW）LED的外延材料原理圖（圖1，左）。傳統(tǒng)LED和SQW LED的光強(qiáng)度-電流-電壓(L-I-V)特性（圖2，右上）。傳統(tǒng)LED和SQW LED的EQE與電流特性對比（圖3，右下）。

　　由于難以產(chǎn)生較長波光發(fā)射所需的高銦含量氮化銦鎵，綠色發(fā)光氮半導(dǎo)體LED結(jié)構(gòu)的光輸出往往較低。除了材料質(zhì)量挑戰(zhàn)之外，與純氮化鎵（GaN）的晶格失配誘發(fā)的應(yīng)變也會引起較大的壓電效應(yīng)，從而生成會導(dǎo)致電子和孔分離的電場，降低光量子的復(fù)合率（即量子束縛斯塔克效應(yīng)，QCSE）。

　　研究人員通過在高銦含量發(fā)光層之前插入一層低銦含量銦氮化稼（InGaN）解決了這一問題。通過模擬實驗發(fā)現(xiàn)，該低銦含量銦氮化稼（InGaN）層可以減弱有源發(fā)光多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變式電場。

　　低銦含量銦氮化稼（InGaN）淺量子阱（SQW）步驟的外延材料通過在控制平面（0001）藍(lán)寶石上使用金屬有機(jī)氣象沉積（MOCVD）技術(shù)來實現(xiàn)（圖2）。傳統(tǒng)的多量子阱（MQW）有源區(qū)由12nm氮化稼（GaN）柵格之間的12個3nm In0.3Ga0.7N阱周期組成，而淺量子阱（SQW）結(jié)構(gòu)則由12nm氮化稼（GaN）柵格之間的12個2nm In0.1Ga0.9N淺阱+3nm In0.3Ga0.7N深阱周期組成。這些材料隨后被制成256μm x 300μm臺面結(jié)構(gòu)晶片。

　　在低溫（85K）和室溫（298K）的環(huán)境下，使用325nm氮鎘激光器來激勵材料的光致發(fā)光頻譜。淺量子阱（SQW）的其中一項效應(yīng)則是在85K條件下將傳統(tǒng)LED材料的譜峰半高寬（FWHM）從16.7nm降低至用于SQW材料的13.1nm，298K環(huán)境下可從20.1nm降至15.7nm。

　　在這一研究中利用淺量子阱（SQW）結(jié)構(gòu)還增加了峰值強(qiáng)度。這些結(jié)果為指示SQW材料晶體質(zhì)量的改善提供了依據(jù)。特別一提的是，由于有源區(qū)內(nèi)的應(yīng)變減少，窄FWHM意味著"更一致的銦分布和更少的載體局部化"。淺量子阱（SQW）材料在298K環(huán)境下的峰值高度為85K下的55.1%，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的對應(yīng)比例為24.1%。這表明量子束縛斯塔克效應(yīng)（QCSE）越小，淺量子阱（SQW）材料能提供的發(fā)光物復(fù)合率和內(nèi)量子效應(yīng)（IQE）越高。

　　電致發(fā)光現(xiàn)象則在一個積分球中進(jìn)行測量，得出光強(qiáng)度-電流-電壓（L-I-V）結(jié)果（圖2）。淺量子阱（SQW）和傳統(tǒng)設(shè)備的電壓性能大致相同，而在150mA條件下，淺量子阱（SQW） LED（49.3mW）的光輸出比傳統(tǒng)設(shè)備（38.4mW）高出28.9%之多。

　　研究人員認(rèn)為這一增強(qiáng)的特性歸功于電子和孔波函數(shù)的重合得到了改進(jìn)，從而提高了光量子的復(fù)合率。對于光致發(fā)光，這一性能未能得到同樣程度的改善，這是因為電致發(fā)光中的偏壓增強(qiáng)了極化電場。外量子效應(yīng)（EQE）比傳統(tǒng)LED設(shè)備高出了10.2-13.3%（圖3）。