效率下降是阻礙GaN基LED在高電流密度這一重要的新興應用領域大施拳腳的主要原因。但RPI的研究人員表示，通過采用極性匹配的外延結構可以克服這一缺點。

　　LED制造商們目前非常關注一些新的市場，例如汽車前燈、大屏幕顯示和普通照明。從某種程度上說，降低價格能幫助LED打入這些領域，但僅僅如此還不夠。LED的芯片還需要在大驅動電流下也能實現高功效。這也意味著需要解決功率下降這一廣受關注的問題。

　　通過比較電和光激發LED的輸出情況，可以幫助RPI的相關研究人員研究GaN基器件功率下降的原因。

　　功率下降具體來說是指藍光、綠光和白光LED在電流增大時效率反而下降的現象。GaN基LED通常僅在電流密度10A cm-2時效率達到峰值，電流密度為100A cm-2時效率降為峰值的一半。這引起了大家的關注，當今的高亮度芯片都需要在比10A cm-2大得多的電流密度下高效地工作。

　　攻克這一難題顯然非常重要，而且它已經吸引了全球工業界和學術界大批研究人員的興趣，其中也包括我們位于紐約州特洛伊市倫斯勒理工學院的研究團隊，我們在過去的幾年里一直在探索效率下降這一問題的根源。我們相信我們能找到癥結所在，并通過完全不同的LED設計克服這一問題。

　　我們與位于新墨西哥州Sandia國家實驗室的Mary Crawford研究小組合作，一起研究功率下降問題的成因。我們關注位錯密度對于LED效率的影響，發現位錯會降低低電流密度時的效率，但并不影響高電流密度下的效率降低問題。

　　在低電流密度時，載流子通常在一個陷阱輔助的過程（即SRH復合）中損失掉了，而且會隨著位錯密度的增加變得更加嚴重。通過增強自發輻射，加大電流密度起初會提高效率，但隨著電流的進一步增加，另一個與之抗衡的載流子損耗機制會引發效率的下降。

　　漏電的LED

　　我們還與韓國三星電機公司合作。這一努力終于讓我們找到了效率下降的原因——由于量子勢阱層、量子勢壘層和電子阻擋層之間的極性失配導致的有源層電子泄漏。

　　我們的解釋能說明為什么高電流密度時效率下降的主要原因——當提高驅動電壓時，會導致更多注入的電子逃出有源層，抵達LED的p型區，從而與p電極處的空穴進行非輻射復合（圖2）。

　　通過比較LED器件在電偏壓和光激發時的光輸出（詳見“探索LED的結構”），該理論已通過實驗得到了驗證。我們在使用數值模擬工具將載流子泄漏與極性失配聯系起來之前，就曾表明在量子阱外也有復合機制發生。

　　界面問題

　　我們的精力主要集中于在GaN傳統的晶面—c面上生長LED。這些器件通常有很強的內建電場，在界面處會產生相當強的表面電荷（詳見“感受內部的力”）。

　　圖1a. 對面積為1mm×1mm的傳統GaInN LED芯片進行測量，揭示了在驅動電流大于10mA時輸出效率會降低。如果能完全避免引起效率下降的機制，LED芯片的效率則會隨著電流的增加而不斷增加。

　　圖1b.非輻射機制在低驅動電流時占主導地位，隨著電流增加讓位于輻射復合，之后效率反而下降。

　　界面表面電荷會從兩個方面阻礙LED的性能。它們會提高電子注入多量子阱區的勢壘，同時降低來自量子阱和電流阻擋層上電子泄漏的勢壘。

　　我們的模擬支持了這一假設，表面電荷通過電子的泄漏降低LED的性能，這也說明減少表面電荷可以緩解載流子的損失。計算同時表明缺乏對p型結構的重摻雜會加劇效率的下降，尤其是在電子阻擋層。

　　眾所周知，與雙極結型晶體管的基極相比，發射極的重摻雜能阻止少數載流子注入發射極。而在LED中，GaN和AlGaN層p型摻雜濃度低，阻礙了空穴（p型區中空穴為多數載流子）注入有源區——這反過來加劇了電子的泄漏。

　　我們對電子泄漏造成LED效率下降的解釋還并未得到廣泛接受；事實上，還有研究者提出了幾種不同的機制。其中以Philips Lumileds研究人員提出的俄歇復合理論（Shen et al. 2007）為主流。

　　在c面GaInN/GaN雙異質結上進行了若干光致發光的試驗，觀察到高光激發密度時效率亦出現了下降。使用速率模型分析使得他們將俄歇復合當作是多量子阱LED效率降低的原因。

　　為此他們引入了有效復合厚度的概念，在設計雙異質結時選定的物理厚度更小，因為量子阱中電子和空穴較小的重疊。

　　將該復合厚度代入速率方程，得出量子阱在有電場時的自發輻射速率比無電場時的更高。但這與GaN量子阱中電場減弱自發輻射的事實相反。因此，我們感覺Lumileds高估了多量子阱LED中俄歇復合在大電流密度時的重要性。

　　布丁好不好吃，當然嘗過了才知道。最后將我們的模擬結果付諸實施，生長帶有AlGaInN勢壘層的LED。用AlGaInN層替代傳統的GaN勢壘層和AlGaN電子阻擋層，使得我們能自由的調節帶隙寬度和極性，并最終減少極性失配和有源區界面間的表層電荷。

　　圖2. RPI的研究人員認為，電子逃逸是造成LED效率下降的主要原因。這些逃出的載流子與p型GaN區或p電極處的空穴進行非輻射復合。

　　圖3.具有量子勢阱和勢壘極性匹配的LED通過減少電子泄漏，在大驅動電流下仍能表現出優異的性能。

　　對于量子勢壘，我們將生長一種與GaN同樣帶隙寬度的四元化合物，并且能與典型量子阱的極性相匹配。這是一項十分艱巨的任務，因為生長高銦組分和高鋁組分的AlGaInN層是非常困難的。但通過減少極性的不平衡，能顯著地提高器件的性能。這也同樣適用于電子阻擋層。

　　我們的模擬顯示，對極性匹配做一下調整就能獲得幾乎所有的好處，而使用勢壘和勢阱只能減少一半的極性失配。關鍵點是將勢壘的帶隙寬度略微減小，就能在有源區內形成附加的載流子約束。


　　提高能效

　　這些調整已經帶來一些令人鼓舞的結果。由于減緩了效率的下降，在大電流時光輸出提高了20%（圖3）。由于降低了載流子注入量子阱區的勢壘的高度，正向電壓也相應的降低了。減少量子阱區表面電荷的另一個好處是將總能效提高25%。調整還帶來其它好處，由于量子阱內的電場強度更低，減少了波長隨電流變化而產生的漂移。

　　很明顯，人們對效率下降問題的興趣在不斷增加，這本身對LED的發展有益。我們加深了對它的了解，現有的設計看上去能解決這個問題。具有上述特性的商業器件就應該積極籌備開拓新的市場，直指終極目標——替代通用照明燈泡。

　　探索LED的結構

　　通過比較光激發和電偏壓時光的輸出，倫斯勒理工學院的研究人員研究GaInN藍光LED中效率下降的問題。上述比較是以電子和空穴的產生速率是相同的為前提，結果顯示效率下降是由于載流子輸運引起的。

　　在穩態光激發的條件下，不應該存在例外的逃逸電子或空穴。如果發生了，就會損失一種載流子——這意味著在量子阱內形成了電場分布，產生額外的載流子泄漏。電子或空穴自發的逃逸也不太可能，因為空穴被嚴格的約束在勢阱內。

　　無論如何，部分載流子確實從勢阱中逃逸出來了。使用405nm激光轟擊這一結構，會產生非零的開路電壓。這是因為器件的正向偏置電壓需要反向電流來補償。凈電流仍為零，這是任何一個沒有接入外部電路的器件都必須遵守的。

　　正向偏置改變了LED的載流子輸運。空穴和電子對量子阱的注入和逃逸速率會發生變化，往往會導致電子從勢阱中泄漏出去。這需要LED在光激發和電偏置兩種情況下不同的光輸出效率來證明。RPI進行的測量證實了這一點。在電泵浦的器件中觀察到了效率的下降，但在光激發的情況下卻沒有。這意味著某種形式的載流子復合機制在量子阱外的區域發生，造成了效率的下降。

　　感受內部的力

　　GaN具有纖鋅礦晶體結構，并在c晶向上存在極化電場。當LED生長在這個晶向上時，由于各相鄰層間在自發極化和應變誘發的壓電極化兩方面存在差異，會在界面間產生較大的表面電荷。通過減少有源區的電子束縛以及增加有源區的電子泄漏，這些電荷會降低LED的效率。

　　在傳統的藍光LED中，GaN勢壘圍繞在GaInN量子阱的兩側，勢阱的n型區一側表面電荷為負。這些電荷會排斥電子，并阻礙電子注入。勢阱的p型區一側表面電荷為正，會吸收電子，增加電子逃逸的可能性（圖a）。

　　AlGaN電子阻擋層具有相反的效果。它們會在n型區一側產生正電荷，使得電子更容易跨越勢壘（圖b）。通過提高Al組分來增加電子阻擋層的帶隙寬度并不是一個很好的解決辦法，原因是表面電荷也會同時增加。

　　發光效果取決于接觸面

　　一個美國團隊將光致發光強度（PLI）作為電容-電壓（CV）光譜分析法的輔助技術，用以決定III-V族材料與電介質之間的界面質量。

　　這些界面嚴重影響著III-V族MOSFET的性能，作為一種可能拓展摩爾定律的器件，了解它的性能極其重要。CV光譜分析法因其復雜性一般廣泛用于測量界面態密度。

　　Matthias Passlack曾是前任飛思卡爾在德研究人員，現在正與英國格拉斯哥大學展開合作。他表示，“很不幸，CV或許被普遍誤解為非硅半導體的相關技術。相反，PLI數字通譯更加直截了當一些”，這是因為激光激發是測量過程中唯一的可變量。

　　利用PLI測量法得到了大量有關界面態密度的實驗數據。很顯然，這種分析界面質量的方法并不新鮮。早在上個世紀90年代日本北海道大學的Hasegawa小組就用該項技術做過實驗；而Passlack也于1994-1995年間在貝爾實驗室建立了一些初步的PLI，并于1996-1997年間在摩托羅拉構建了當前的器件結構。

　　Passlack最近發表的論文對一門更為復雜的學科略有陳述，里面對基于GaAs的22種材料展開了研究，包括GdGaO、In2O3和Ga2O3電介質；其中Ga2O3是唯一適合用作器件級界面的電介質。Passlack想用PLI來分析InGaAs MOSFET，并為格拉斯哥大學的Iain Thayne小組提供幫助，為他們建立一個能實現此項測量的實驗裝置。