GaN基多量子阱蓝光发光二极管发光效率及其稳定性问题研究

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近几年,由于外延技术以及后续制作工艺的逐渐成熟,GaN基多量子阱LED得到了极大的发展,部分LED已经投入到大量的商业化生产。然而,在大电流注入的情况下,LED的发光效率下降,这种现象被称为LED的efficiency droop问题,已成为LED研究领域内的热点之一。为了降低LED的成本,需要提高LED效率,并且保持LED持续高效率的工作。因此,LED发光效率及可靠性问题是目前LED器件研究之中的核心问题。因此本文就以上两个问题展开了研究。基于发光过程的ABC模型,对efficiency droop发生的原因及其在老化过程的变化开展了研究,并结合经验公式L~Iα,分析了LED efficiency droop的机制;通过观察小电流下LED的EL谱在老化过程中的变化讨论了LED的老化机制。  ABC模型结合LED光功率和电流的关系的经验公式式L~Iα,明确了参数α的不同取值范围对应的主要的物理过程,即当α=2时,载流子的SRH复合是主要的复合机制;当α=1时,辐射复合是主要过程,此时外量子效率极大,对应EQE(IQE)-I关系中的峰值电流点;当α=2/3时,俄歇复合或载流子泄露占主要部分。并结合理论推导确定了载流子泄露或类俄歇复合机制导致了LED的efficiency droop。此外, LED efficiency droop在老化过程的变化与a值的变化规律一致,从而明确了缺陷辅助载流子隧穿导致的载流子泄露或缺陷辅助的俄歇复合是LED efficiency droop的原因之一。  在LED的老化机制研究中,通过观察小注入电流下LEDs的光谱特性在老化过程中的变化,发现峰值波长,半高宽,峰值波长移动和半高宽的展宽都随老化时间增加而减小,提示在老化过程中,量子阱的极化场减弱或载流子浓度增多,最终导致量子阱的等效极化场变弱。由于变化过程的两个阶段的特征,即老化初期(前100小时)的快速衰减过程和后期的缓慢变化,与光功率的变化规律相一致,说明LED的EL谱特性变化和量子阱内缺陷增多有确定的关系。而电学测量结电容Cj和结电压Vj在老化过程中增加,进一步确定量子阱内载流子数量随着老化时间增加是增多的。因此,明确了在老化过程中GaN基多量子阱蓝光发光二极管量子阱内的缺陷及其束缚的载流子数量增加,对极化电场的屏蔽效应导致了小注入电流(<4mA)下GaN基多量子阱蓝光发光二极管的的峰值波长和半高宽在老化过程中减小。  综上所述,我们得出,缺陷辅助载流子隧穿或缺陷辅助俄歇复合导致了LEDefficiency droop;由老化过程中小电流下LED的EL谱的变化推断出了LED老化机理主要是量子阱内增多的缺陷浓度。
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