基于非等温模型的LED效率衰落及芯片结构优化研究

【摘要】GaN基发光二极管(LED)具有节能、高效、体积小、寿命长等优点,已经被广泛用于全彩色显示、固体照明、光存储、通讯等领域,具有很大的商机潜力。目前正朝着大功率、高性能的方向发展。然而,随着注入电流的升高LED的内量子效率会逐渐下降,称为效率衰落效应,导致LED在大电流情况下性能显著降低,严重阻碍了大功率LED的发展与应用。因此,挖掘效率衰落效应的物理机制,改善效率衰落效应,提高大功率LED的发光效率,是研究者面临的重大课题。为深入理解效率衰落效应的物理机制,试图提高LED发光效率,本文揭示了LED性能与芯片非等温效应之间的依变关系,并在此指导下提出了几种新型LED芯片结构,在一定程度上改善了LED的效率衰落效应,提高了LED的发光效率。主要包括以下内容：首先建立了LED的非等温多物理场耦合模型,精细刻画了芯片的内热源和温度场分布,发现内热源分布是不均匀的,并且以焦耳热和非辐射复合热为主,汤姆逊热和帕尔帖热的贡献很小可忽略。内热源主要集中在量子阱内,产生电流拥塞效应。分析了LED芯片内部热源、温度场与其性能之间的依变关系,指出了等温模型在预测芯片性能时的局限性。俄偈复合所产生的复合热不是内热源的主要贡献,基本可忽略不计。电子漏电流和俄偈复合是导致效率衰落效应的主要原因。为提高LED的量子效率,改善效率衰落效应,本文在非等温模型的基础上提出了几种LED新结构,主要包括：多势垒结构电子阻挡层、锯齿形电子阻挡层、梯形电子阻挡层、耦合插入层电子阻挡层、In组分梯度渐变活性区、渐变尾垒结构。多势垒结构电子阻挡层的引入显著提高了芯片的内量子效率,使效率衰落度显著降低了12.85%,并在提高发光复合率的同时,保证了芯片的热稳定性与发光稳定性。通过优化电子阻挡层中的各项参数大大提高了LED内量子效率。提出的AlGaInN电子阻挡层耦合插入InGaN层结构,以及锯齿形电子阻挡层结构,可显著改善LED发光效率。原因是此两种结构的引入,不仅增强了对电子的限制能力,还增加了空穴的注入率,也使活性区中的极化电场减小,减弱了量子限制斯塔克效应。还提出了In浓度梯度升高InxGa1-xN势垒活性区及A1组分渐变AlxGa1-xN尾垒结构。研究发现,In浓度梯度升高的InxGa1-xN势垒改善了活性区最后两个量子阱附近的能带结构,增强了电子阻挡层抑制电子漏电流的有效势垒高度,增强了对电子的限制能力,也提高了空穴从p型区注入活性区的注入率。Al组分渐变AlxGa1-xN尾垒结构使最后一个势垒与电子阻挡层界面处,极化效应诱导的能带弯曲得到显著改善,因此提高了电子阻挡层的有效势垒高度,增强了对电子从活性区溢出到p型区的限制能力,使内量子效率和发光功率都得到提高。
【作者】王天虎；
【导师】徐进良；
【作者基本信息】华北电力大学，可再生能源与清洁能源，2014，博士
【关键词】发光二极管；效率衰落；非等温；电子阻挡层；量子阱；数值模拟；

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