使用多结 LED 减小Droop效应

具有多个隧道结的 MOCVD 生长 LED 将峰值效率推至更高的驱动电流

俄亥俄州立大学和桑迪亚国家实验室的研究人员之间的合作声称已经生产出第一个由 MOCVD 生长的三结 LED。据该团队称，他们的工作表明，通过适当的隧道结设计，可以通过级联多个氮化物基 LED 来提高高输出功率下的电光效率。

这一进步可以提高大功率LED在家用、工业和汽车照明中的性能。虽然用于这些应用的LED的衰减已经降低，但这仍然是一个问题。

团队发言人 Zane Jamal-Eddine 透露：“LED 行业人士告诉我们，修复衰减仍然是他们正在积极追求的重大挑战，尤其是在更长波长的 LED 中。”

美国合作最近取得的成功得益于今年早些时候报道的隧道连接设计的突破。先前工作的一部分模拟表明，通过仔细控制掺杂分布，可以最大限度地减少 MOCVD 生长的隧道结 LED 上的电压损失。优化重掺杂 p 型层中的镁分布尤为重要。 “此外，利用极化电荷提供有利的电场分布以提高隧穿概率是关键，”Jamal-Eddine 补充道。

该团队通过在隧道结中加入一个重掺杂、渐变的 InGaN 区域来实现所有这些目标，该区域的峰值成分为 6% 的铟。由此产生的三维极化电荷有助于补偿与 MOCVD 生长隧道结相关的掺杂问题，这往往导致它们具有比 MBE 生长的等效物高得多的正向电压。

由于引入了极化电荷，同时优化了掺杂分布，团队 MOCVD 生长的隧道结上的正向电压类似于 MBE 生长的正向电压。 “这实现了我们在双结和三结级联 LED 中观察到的正向电压、外部量子效率和电光效率缩放的改进，”Jamal-Eddine 评论道。

他和他的同事使用 Taiyo Nippon Sanso SR4000HT 反应器生产了他们的器件。外延在蓝宝石衬底上形成的器件结构是： 6 μm 厚的 n 型 GaN 层，位错密度约为 10⁸ cm^-2； 500 nm 厚的 n 型 GaN 层，掺杂硅至 5 x 10¹⁸ cm^-3 的水平；和 190 nm 厚的 In_0.04Ga_0.96N 底层，用于防止形成 V 型缺陷。在这个平台上，团队生产了一个、两个和三个结的 LED。随后蚀刻以创建 100 μm x 100 μm 台面，然后快速热退火激活掩埋 p 型 GaN 层中的载流子。

对具有环形顶部 n 型触点的器件进行电气测量表明，开启电压从单结器件的 3.3 V 增加到双结和三结变体的 6.9 V 和 10.8 V。电致发光测量表明，引入双结器件后，外部量子效率的峰值增加了 200%，而使用三结器件则增加了 275%（见上图）。这些显著增加表明，多个有源区允许 LED 在更高的功率下提供更好的性能。

移动到更多的结有望将峰值效率推到更高的驱动电流，但存在与热预算相关的底层退化的担忧。这些结构中的另一个问题是在重掺杂隧道结层中形成的扩展缺陷的传播。该团队使用透射电子显微镜寻找这些缺陷，但没有找到任何证据。

Jamal-Eddine 说，该团队目前正在研究可能的热预算问题，看看他们是否可以进一步推动器件，或推动更多的结。

参考资料

Z. Jamal-Eddine et al. Appl. Phys. Express 14 092003 (2021)

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