应变工程项目大幅提高了绿色LED的光输出

中国科学院近日发布的一份报告称，中国研究人员利用应变工程已将150mA的电流注入了530nm发光的二极管（LED），光的输出功率提高了28.9%。此项研究是中科院半导体研究所和香港大学的合作项目。

　　传统LED和浅量子阱（SQW）LED的外延材料原理图（图1，左）。传统LED和SQW LED的光强度-电流-电压(L-I-V)特性（图2，右上）。传统LED和SQW LED的EQE与电流特性对比（图3，右下）。

　　由于难以产生较长波光发射所需的高铟含量氮化铟镓，绿色发光氮半导体LED结构的光输出往往较低。除了材料质量挑战之外，与纯氮化镓（GaN）的晶格失配诱发的应变也会引起较大的压电效应，从而生成会导致电子和孔分离的电场，降低光量子的复合率（即量子束缚斯塔克效应，QCSE）。

　　研究人员通过在高铟含量发光层之前插入一层低铟含量铟氮化稼（InGaN）解决了这一问题。通过模拟实验发现，该低铟含量铟氮化稼（InGaN）层可以减弱有源发光多量子阱(MQW)结构中的应变式电场。

　　低铟含量铟氮化稼（InGaN）浅量子阱（SQW）步骤的外延材料通过在控制平面（0001）蓝宝石上使用金属有机气象沉积（MOCVD）技术来实现（图2）。传统的多量子阱（MQW）有源区由12nm氮化稼（GaN）栅格之间的12个3nm In0.3Ga0.7N阱周期组成，而浅量子阱（SQW）结构则由12nm氮化稼（GaN）栅格之间的12个2nm In0.1Ga0.9N浅阱+3nm In0.3Ga0.7N深阱周期组成。这些材料随后被制成256μm x 300μm台面结构晶片。

　　在低温（85K）和室温（298K）的环境下，使用325nm氮镉激光器来激励材料的光致发光频谱。浅量子阱（SQW）的其中一项效应则是在85K条件下将传统LED材料的谱峰半高宽（FWHM）从16.7nm降低至用于SQW材料的13.1nm，298K环境下可从20.1nm降至15.7nm。

　　在这一研究中利用浅量子阱（SQW）结构还增加了峰值强度。这些结果为指示SQW材料晶体质量的改善提供了依据。特别一提的是，由于有源区内的应变减少，窄FWHM意味着"更一致的铟分布和更少的载体局部化"。浅量子阱（SQW）材料在298K环境下的峰值高度为85K下的55.1%，而传统结构的对应比例为24.1%。这表明量子束缚斯塔克效应（QCSE）越小，浅量子阱（SQW）材料能提供的发光物复合率和内量子效应（IQE）越高。

　　电致发光现象则在一个积分球中进行测量，得出光强度-电流-电压（L-I-V）结果（图2）。浅量子阱（SQW）和传统设备的电压性能大致相同，而在150mA条件下，浅量子阱（SQW） LED（49.3mW）的光输出比传统设备（38.4mW）高出28.9%之多。

　　研究人员认为这一增强的特性归功于电子和孔波函数的重合得到了改进，从而提高了光量子的复合率。对于光致发光，这一性能未能得到同样程度的改善，这是因为电致发光中的偏压增强了极化电场。外量子效应（EQE）比传统LED设备高出了10.2-13.3%（图3）。