PDF《Evaluation of internal quantum》

40 mil 芯片为例,

350 mA 工作时 LED 的电流密度约

35 A/cm2 , 此时 LED 的效率已经低于峰值效率 20%C30%. 如果增加芯片 尺寸至

80 mil(对应芯片面积增大为

40 mil 的4倍), 则刚好使 LED 的工作电流密度处于峰值效率点附近. 目前市场上

40 mil 的LED 在350 mA 下光效为 130C140 lm/W, 而80 mil 的LED 在350 mA 下光效可 达180C200 lm/W. 据此估算, 蓝光 LED 的峰值内量 子效率在小电流密度下可达 80%C90%. 内量子效率是衡量 LED 芯片性能至关重要的一 Downloaded to IP: 192.168.0.24 On: 2019-06-17 07:50:26 http://engine.scichina.com/doi/10.1360/SSPMA2015-00025 汪莱等. 中国科学: 物理学 力学 天文学

2015 年第45 卷第6期067304-2 个指标, 它是指单位时间内 LED 有源区内产生的光 子数和注入到 LED 中的电子-空穴对数之比, 它又可 以分为 LED 有源区的辐射复合效率和 LED 的注入效 率. 前者是指单位时间内 LED 有源区内产生的光子 数和注入到 LED 有源区中的电子-空穴对数之比, 后 者则是单位时间内注入到 LED 有源区中和注入到 LED 中的电子-空穴对数之比. 有时也将辐射复合效 率称为内量子效率, 为避免混淆, 本文按上述方式定 义辐射复合效率和内量子效率. 辐射复合效率取决 于有源区中辐射复合和非辐射复合之间的竞争, 它 和有源区的晶体质量、结构都密切相关. 缺陷等非辐 射复合中心越少, 辐射复合效率就越高;

而双异质结 有源区往往比同质结有源区具有更高的辐射复合效 率. 注入效率主要取决于有源区对载流子的俘获能 力和限制能力, 它既和 LED 的能带结构有关, 也和 材料质量有关. 当然, 注入效率和辐射复合效率之间 也会互相影响. 例如: 注入效率低时, 有源区中的载 流子浓度就低, 而辐射复合效率是和载流子浓度相 关的;

而当有源区中载流子复合较慢时, 则会增加载 流子逃逸的几率. 由于内量子效率对 LED 的性能举足轻重, 所以 对内量子效率的正确评测就显得十分重要. 但是这 并不是一件容易的事情. 首先, 对LED 而言, 实验上 可以直接测量的是外量子效率, 它是内量子效率和 光提取效率的乘积, 光提取效率无法直接测量而只 能通过理论建模仿真来获得. 其次, 内量子效率随着 LED 注入程度不同是在变化的. 第三, 辐射复合效率 和注入效率都会影响内量子效率, 且它们各自也都 随着注入电流变化. 至今仍然没有一种方法能够绝 对准确且系统全面地对内量子效率进行评测, 文献 中经常使用的方法, 如变温光致荧光、变温电致荧 光、 效率-电流曲线拟合等方法, 都只能作为内量子效 率评测的参考. 本文将以本研究组实际生长的 InGaN 多量子阱和 LED 样品为例, 结合本研究组近期的研 究工作, 对内量子效率的评测方法进行详细地论述.

2 实验 实验中生长了 InGaN 多量子阱样品和 LED 样品, 多量子阱样品用于光学测试, 而LED 样品同时用于 光学和电学测试.样品均采用Aixtron 2000HT MOCVD 设备在

2 英寸 c 面蓝宝石衬底上外延生长获 得. 对于多量子阱样品, 外延过程依次为: (1) 1050°C 氢气清洗衬底

10 min;

(2) 520°C 生长

30 nm 厚GaN 低温缓冲层;

(3) 1020°C 生长

4 μm 厚GaN 体材料;

(4) 降温至 740°C 生长 InGaN/GaN 多量子阱, 阱宽约 2C3 nm, 垒宽约 10C20 nm, 为提高量子阱的辐射复合效 率, 在量子阱下方插入 60C90 nm 厚In0.02GaN0.98 层[6,7] . 对于 LED 样品, 外延步骤和多量子样品类似, 不同 之处是在 GaN 体材料中进行浓度约 5*1018 cm?3 的Si 掺杂, 形成 n-GaN, 并且在多量子阱有源区生长完之 后继续生长