InGaN蓝光LED量子效率与注入电流的关系研究

InGaN蓝光LED量子效率与注入电流的关系研究*

张福林**,林旭,廖欣,何志毅

(桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林541004)

摘要:研究了InGaN蓝光LED量子效率随注入电流的变化关系,当注入电流还未达到额定电流时,LED量子效率就随着注入电流增加而快速降低。通过Matlab计算出在俄歇复合的无辐射复合机制下量子效率与注入电流的理论关系式。与实验值的拟合结果显示,大电流注入下,LED的效率衰落同时由俄歇复合及其产生的热电子从发光有源区泄露引起。由蓝光LED这一效率2电流特性,提出了增强InGaN蓝光LED效率的途径。

关键词:InGaN LED;量子效率;非辐射复合;俄歇复合;大功率LED驱动

中图分类号:TN312.8文献标识码:A文章编号:100520086(2009)1121442204

Investigation on the injected current dependence of InGaN blue LED c s quantum efficiency

Z H ANG Fu2lin**,LIN Xu,LIAO Xin,HE Zhi2yi

(Informati on&Communication College,Guilin Uni versity of Electronic Technology,Guilin541004,China)

Abstract:The dependence of quantum efficiency on injected curre nt of InGaN Blue LEDs is examined, whic h exhibits an efficienc y droop with increasing the injected current to a value below the LED c s rated current.The theoretical relationship between the quantum efficiency and the injected current is obtained by Matlab based on the Auger nonradiative recombination mechanism.By fitting it with the experimental data,the results show that the efficiency droop can be ascribed to the Auger recombination and the resul2 t ing hot electrons leaking from the active region of emission.In terms of t his efficienc y c urrent c harac t er2 ist ic of t he blue LED,a path to enhance the efficiency of the InGaN blue LEDs is presented.

Ke y words:InGaN LED;quantum efficiency;nonradiative recombination;Auge r recombination;high powe r LED drive

1引言

照明用白光LED光源的关键器件是InGa N蓝光LED,但与传统光源在性能价格比上竞争,还需要进一步提高其发光效率和单个器件的功率。然而目前大功率蓝光LED芯片存在的主要问题之一是当注入电流密度超过一定值时量子效率随着注入电流由上升转为下降,到额定电流工作时量子效率明显比小注入下的峰值效率低[1]。近年对大注入条件下引起量子效率衰落(droop)的载流子无辐射复合的发生机制作了大量研究,然而对此尚存在较大的分歧,各自提出不同的无辐射复合机理:

多量子阱(MQW)有源层内电子2空穴复合后能量传给附近其它的载流子的无辐射过程(俄歇复合)[1,2];

电子从有源区泄漏,越过电子阻挡层进入到p区(体GaN 区域),通过Mg2+的带间能级与空穴发生无辐射复合[3,4];

高载流子浓度引起的与缺陷相关的无辐射过程,或声子辅助的间接俄歇复合过程[5];

量子阱局域态被填满,电子进入非局域化的导带中,通过缺陷能级与空穴无辐射复合[6]。

国内的一些研究报道中也介绍了LED的发光效率衰落现象[7,8],但关于载流子无辐射复合机理,目前还没有详细的实验或理论上的分析。

为使工作在大功率下的蓝光LED同时具有高效率,必须克服其效率与功率的矛盾,首先要找到大电流注入下量子效率衰落的确切原因以设计合理的器件结构。本文主要通过Mat2 lab的符号计算和数据拟合功能,得出相对量子效率与注入电流的关系表达式,并与实验值进行精确拟合,发现无辐射复合同时由以上可能性中的前两种机制引起,基于此也提出了相应的改善方法,并分析了LED这一效率2电流特性对驱动电路设计的影响。

2实验与计算方法

测试和分析了1W蓝光InGa N基LED(Cree公司芯片)。由信号发生器(TFG3080)控制开关晶体管以PWM矩形脉冲

光电子#激光

第20卷第11期2009年11月Journal of Optoelectr onics#Laser Vol.20No.11Nov.2009

*收稿日期:2009203223修订日期:2009208206

*基金项目:广西自治区教育厅基金资助项目(D200649)

**E2m ail:fulin05@https://www.wendangku.net/doc/3712497824.html,

驱动LED,通过安捷伦54830D MS O(采样率2G Sa /s)存储示波器连接一精密电阻R 进行电流采样,并在5V 直流电源输出端接可调电阻改变LED 的驱动电流,脉冲频率为1kH z ,可通过信号源调节驱动脉冲占空比以保持相同的平均电流。光强通过硒光电池光度计检测,通常LED 在不同峰值电流驱动时发射光谱峰的位置会有所改变[9],但在实验中采用的驱动电流范围内这个光谱变化并不大,对于测量结果的影响可以忽略。在驱动电路中,采用倒装焊封装的商业化产品36W 大功率白光LED 。

对于本文方程的解及其参数和变量代入后的数值结果计算和与实验值的拟合采用Matlab 函数实现。所测量计算的发光量子效率变化是由于电流不同导致LED 芯片内无辐射复合速率的变化引起,所讨论的量子效率曲线实际上反映的均是内量子效率变化。

3 结果与讨论

3.1 注入电流对量子效率的影响

LED 的PN 结温度升高会导致发光效率降低[10],为了排

除结温的影响,采用相同平均电流、不同占空比的驱动方法[1]

。这样,测得发光强度变化也就直接反应了量子效率随峰值电流的相对变化。

图1(a)是对高亮度1W(额定电流350mA)蓝光LED 的测量结果。可以看到:1)LED 有一个使量子效率达到极值点的电流,称之为效率极值工作点,在此约为250m A;2)随着电流的进一步增大,发光效率明显降低。在过去的报道中,即使维持结温不变[10],LED 的光输出随驱动电流的增加率也会减缓,说明这种情况下LED

量子效率的降低只与驱动电流的

图1 额定电流/功率为(a)350mA /1W 、(b)20mA /0.07W 的

In GaN 蓝光LED 相对量子效率随注入电流的变化Fig.1 D ependence o f relativ e quantu m efficiency on the injected cu rren t o f the blue InG aN L ED w ith po w er rating

of (a)350mA /1W ,(b)20mA /0.07W

增加有关。由此可看出,要使LED 工作在较高的效率,在平均电流较小时采用峰值电流等于效率极值工作点的矩形直流脉冲,在平均电流超过效率极值点的大电流注入的情况下则采用恒定直流。

图1(b)是一普通圆柱型封装的小功率蓝光LED(额定电流为20mA 、功率为0.07W 左右)在平均电流为3mA 的测量结果,其发光效率极值工作点电流只有约5.5mA,其效率在额定电流的1/4左右时就开始下降,一般蓝光LED 效率极值点的注入电流密度都小于10A /cm 2[1],在实际使用中,工作在额定电流时效率比极值点低30%左右,这样的光效2电流特性显然不适合于大电流驱动。如果其效率极值点达到其额定电流,就可使LED 在实际使用中达到较高发光量子效率,这是目前大功率LE D 制作要解决的重要问题。

3.2 量子效率分析

考虑LED 的电子2空穴的辐射与非辐射复合[11]

,如果在结区电子和空穴的浓度分别为n 、p,则电子2空穴对的复合速率为B n p ,B 为复合系数。非辐射复合包括肖克莱里德霍尔

(SRH)复合和俄歇复合,复合速率分别为An 、C n 2p(或Cnp 2

)[12]

,A 、C 为复合系数。电流密度j 与3种复合速率之和成正比,可以表示为[11]

j =e d (A n +B n 2+C n 3)(1) 式中:e 为电子电量;d 为有源区厚度。式(1)把空穴浓度视为与电子浓度相等,在一定的芯片面积下,效率2电流与效率2电流密度的关系相同。辐射复合速率为Bn 2,量子效率为

G =Bn 2/(A n +B n 2+C n 3

)(2) 量子效率与载流子密度高次项有关。为了得出LED 量子效率与注入电流的关系,需要由式(1)解出n 与j 的关系。通过Matlab 可以解出n =n(j)的精确表达式为

n =

3

s(j)+2B 2

/3-2AC C 3s(j )

-B

(3)

式中,s(j )表示为

s(j )=36A BC -8B 3+108C 2j +

123C 4A 3C-A 2B 2+(18ABC-4B 3)j +27C 2j 2

将式(3)代入到式(2)中就可以得到发光量子效率2电流密度的关系表达式,在考虑相对值变化的情况下效率2电流密度关系与效率2电流的关系相同。则由此得出的相对效率2电流变化G -i 曲线与图1有相近的变化趋势,且随着与俄歇复合相关的系数C 的减小,效率极值点逐渐向更高电流密度移动。

系数A 所对应的S RH 复合是通过禁带中间能级导致的无辐射复合,这些中间能级主要是一些缺陷和杂质能级,可通过改善材料的特性来解决;另外,制作高量子效率的LED 时,在P 区与N 区间制作本征GaN/InGaN 半导体的多层量子阱结构作为发光有源区。但即使这样电子也会扩散到P 区,而由于InGaN 中的P 型杂质Mg 2+会提供产生SRH 复合的禁带中间能级,因此量子效率依然不高,故在P 区与有源区界面处制作一层禁带宽度较大的势垒层即电子阻挡层以防止电子进入到P 区。

通过阻止俄歇复合方法来提高LED 量子效率,如增加量

子阱的宽度[1]

可以减小载流子浓度,从而降低俄歇复合的几

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1443#第11期 张福林等:InGaN 蓝光LED 量子效率与注入电流的关系研究

率。另外,LED 电极结构也会对其量子效率产生较大的影响,如果电流密度在空间上的不均匀,引起局部的高载流子浓度、俄歇复合几率增加而造成效率降低。因此,要保证整个器件平面上电流密度的均匀性,对此LED 电极的结构和形状设计起到了很重要的作用。

蓝宝石衬底的侧面P 、N 电极结构难以保证电流密度的均匀性,在这方面就不如SiC 衬底的上下电极结构。如果把蓝宝石衬底除去[13],刻蚀出底部的GaN 晶体后再加电极,与顶部另外一个极区的电极相对,这样可以明显提高LED 的量子效率,去除蓝宝石衬底一般通过激光剥离(LLO)[14]的方法实现。另

外,把上表面电极做成枝杈形[13]

的(也有的做成网状的),使电子较均匀地注入到整个N 区表面而不占据太大出光面积。在江风益等人的Si 衬底技术中,为制成上下垂直电极结构也需要去除原衬底和绝缘的缓冲层再将芯片焊接到新的S i 衬底上,明显比侧面电极结构的效率要高,但去除衬底采用I CP 刻蚀的方法。这些提高效率的方法都可以从俄歇复合的角度得到解释。

虽然式(3)描述相对效率2电流变化的G 2i 曲线与图1实验结果大致相同,然而将它们进行拟合时却很难找到合适的A 、B 和C 的值与实验测量值精确地吻合,假设电流与载流子浓度关系为

j =e d (An +B n 2+C n 3+Dn 4)(4)即电流密度还与载流子浓度的4次项相关,由此计算的G 2i 曲线与实验值能够更精确地达到一致,如图2所示。这可以解释为:俄歇复合中可以产生能量更高的热电子,脱离量子阱的束缚,很容易越过电子阻挡层而引起电子从有源区泄漏到P 区,则复合几率正比于俄歇复合几率与P 区空穴浓度乘积,即载流子浓度的4次方(考虑到注入空穴与注入电子的浓度成正比,p W n)。因此俄歇复合和有源区电子泄露的2种无辐射复合的机理解释并不矛盾,前者是后者的起因,后者进一步加大了电子与空穴发生无辐射复合比例。

但文献[5]对俄歇复合机理提出质疑:俄歇复合几率会随着载流子浓度而增加,那么在蓝光LD

中需要更高的载流子浓

图2 按照(1)式(虚线)和(4)式(实线)计算的效率2

电流曲线与实验值(方块)的拟合Fig .2 The fitting results o f the r elative quantum efficiency by equatio n (1)(dashed line)and (4)(solid line)versus experimental data(squared dots)

度以实现粒子数反转,两者相互矛盾,就不可能实现I nGaN 蓝色激光。

其实这样由LD 的推论并不一定适用于LED 的情况,在式(1)和(2)中描述的是LED 的自发辐射,如果是受激辐射,其跃迁速率,也就是式(1)中的第2项,比自发辐射几率要大得多,俄歇复合对LD 量子效率的影响反而较小。另外,文献[6]的解释,即有源区量子阱的局域态被填满使电子进入非局域化的导带、并通过缺陷能级与空穴无辐射复合,也与实验事实不符)))文献[1]的光致发光实验中大电流注入时对应光子能量的吸收并没有饱和,否则其发光效率与注入电流的关系也不会像图1中的曲线,而是在饱和后效率呈直线下降的趋势。

3.3 讨 论

制作如图3(a)所示电路驱动大功率LED 灯(24V @1.5A,多个芯片串、并联混合封装)来分析实际使用中驱动波形对发光效率的影响,由典型的功率型MOS FET 驱动专用IC (HV9910)控制占空比和输出电流大小,直流电源直接由市电整流后提供(~300VDC ),L 是一个限流电感,在MOS 管漏极到电源母线间反向并入一快恢复二极管D 以在MOS 管关断时通过LED 释放电感在导通期间的储能,同时保证MOS 管不被感应高压

击穿。

图3 (a)典型LED 驱动开关电路;(b)未接入电容C (波形C 1)和连接电容C(波形C 2)时的电流波形Fig.3 (a)A typical drive circuit of high pow er LED ;(b)The current w aveforms of the LED as the capacitor C is disco nnected(waveform C 1)and connected(w aveform C 2)

如果在LED 两端并联一容值足够大的电容C ,电流波形由原来的三角脉冲变成略带有纹波的直流波形,如图3(b)所示,这时在视觉上就可以明显地感觉到LED 亮度的增加,而积分计算出来的LED 平均注入电流相同,电源输入功率也基本不变,实际测量其亮度增加了24%左右。这是由于LED 由峰值电流较高的脉冲驱动发光效率较低,两端并上电容基本接近恒定直流,比脉冲驱动时更接近其G -i 曲线的极值工作点,所以发光效率增加。

大功率LED 另一个需要解决的重要问题是散热,我们希望通过以上驱动效率的提高在一定程度上改善器件发热以降

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光电子#激光 2009年 第20卷

低器件工作时的温度。测量比较2种不同驱动方式下LED表面的温度,奇怪的是,在光效较高的直流驱动下,LED表面温度反而比效率较低的脉冲驱动较高(相差约5e)。很可能是由于脉冲驱动下,器件内有部分注入电子从电子阻挡层泄漏到P 区而发生无辐射复合,而倒装焊LED芯片的P区离底部的散热板更近,反而散热较快。测量散热基板的温度,2种驱动方式下基本相同,这与我们上面得出的俄歇复合及其导致的电子泄露的无辐射复合机理分析相一致。

综上所述,就目前LED芯片的技术现状,InGaN蓝光和基于蓝光芯片的白光LED还是以直流驱动方式的发光效率为高。但是,随着对LED效率衰落现象研究的进展,可以找到克服器件内部无辐射复合的结构设计如LumiLeds声称达到了效率极值点200A/c m2的研究水平[2],已经明显超过了LED的额定平均电流密度。一旦这种技术转化为商业化的蓝光LED 芯片产品,那么用矩形脉冲波形来驱动这种LED会具有更高的发光量子效率,届时对于LED驱动IC的设计也会产生巨大的影响,在一定的额定平均电流下,驱动脉冲的占空比和峰值电流应根据LED的效率2电流关系的测量数据来确定。对于LED该特性的研究,除对于芯片产业的促进作用以外,对下游的驱动技术的开发也具有重要的指导意义。理论上,准确地预见和技术上掌握LED芯片的性能进展,有利于及时地设计和开发先进的驱动技术和产品,以抢先获得相关知识产权和市场。

4结论

发光量子效率与注入电流的关系曲线是InGaN蓝光LED 的重要光电特性之一,它反映了器件内辐射与非辐射复合随载流子浓度的变化规律。发光效率的衰落可以解释为:由于注入载流子浓度增大引起非辐射的俄歇复合速率增加,同时俄歇复合产生的热电子也可以越过电子阻挡层进入P区与空穴发生非辐射的复合。由于目前效率极值工作点一般都小于LED的额定电流,所以实际使用中工作在额定功率的LED,还是采用恒定直流驱动时效率最高。但随着效率2电流特性的逐渐改善,效率极值点所对应的电流密度将超过额定值,在这种情况下,则需要根据这一特性设计合适的占空比和峰值电流的大功率脉冲方波电路来驱动LED,使之达到最大发光效率。

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作者简介:

张福林(1986-),女,陕西西安人,硕士研究生,主要从事LED光电特性及驱动技术的研究1

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