應變工程項目大幅提高了綠色LED的光輸出

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

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

　　由于難以產生較長波光發射所需的高銦含量氮化銦鎵，綠色發光氮半導體LED結構的光輸出往往較低。除了材料質量挑戰之外，與純氮化鎵（GaN）的晶格失配誘發的應變也會引起較大的壓電效應，從而生成會導致電子和孔分離的電場，降低光量子的復合率（即量子束縛斯塔克效應，QCSE）。

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

　　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）藍寶石上使用金屬有機氣象沉積（MOCVD）技術來實現（圖2）。傳統的多量子阱（MQW）有源區由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）結構則由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臺面結構晶片。

　　在低溫（85K）和室溫（298K）的環境下，使用325nm氮鎘激光器來激勵材料的光致發光頻譜。淺量子阱（SQW）的其中一項效應則是在85K條件下將傳統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環境下可從20.1nm降至15.7nm。

　　在這一研究中利用淺量子阱（SQW）結構還增加了峰值強度。這些結果為指示SQW材料晶體質量的改善提供了依據。特別一提的是，由于有源區內的應變減少，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環境下的峰值高度為85K下的55.1%，而傳統結構的對應比例為24.1%。這表明量子束縛斯塔克效應（QCSE）越小，淺量子阱（SQW）材料能提供的發光物復合率和內量子效應（IQE）越高。

　　電致發光現象則在一個積分球中進行測量，得出光強度-電流-電壓（L-I-V）結果（圖2）。淺量子阱（SQW）和傳統設備的電壓性能大致相同，而在150mA條件下，淺量子阱（SQW） LED（49.3mW）的光輸出比傳統設備（38.4mW）高出28.9%之多。

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