确定绿色InGaN LED中的光效下降现象

美国研究人员根据其实验研究报告称，绿色氮化铟镓（InGaN）发光二极管（LED）中的“本征Auger–Meitner复合是非辐射复合的主要机制”。[Xuefeng Li et al, Appl. Phys. Lett., v123, p112109, 2023]

该研究团队包括美国新墨西哥大学、Lumileds LLC、桑迪亚国家实验室的研究人员，该团队评论说：“光效之所以会下降，是因为在所研究的LED中，存在载流子局域化和库仑增强，导致辐射复合和本征Auger–Meitner复合之间的不平衡。因此，使薄量子阱保持较低的载流子密度有利于避免剧烈的Auger–Meitner复合，并使载流子局域化和库仑增强的相互作用作用于辐射过程。”

通常也称Auger–Meitner机制为Auger复合。1922年，Lise Meitner报告了这一效应，但只是将其作为其他研究附带产生的结果，而Pierre Victor Auger独立发现并更深入地研究了这一机制，并于1923年记录下他的研究工作。

针对具有相同有源区但深层缺陷密度不同的样品，新墨西哥大学/Lumileds LLC/桑迪亚国家实验室的研究人员进行了研究。有源区由三个3 nm的InGaN量子阱（QW）组成，铟含量为19%，旨在发射绿光，中间由18nm的GaN势垒隔开。样品采用c平面金属有机化学气相沉积法生长。根据深能级光谱学（DLOS）和照明电容电压（LCV）的测量结果，测得的缺陷密度分别为0.45x10¹⁵/cm³、0.78x10¹⁵/cm³、1.5x10¹⁵/cm³。

研究团队将深能级光谱学描述为“一种光电容技术，当缺陷在光发射时改变电荷状态，该技术可利用耗尽区空间电荷变化的时间依赖性，测量深能级的光吸收光谱”。研究人员还解释说：“照明电容电压比较了黑暗中深能级被占据时的C-V测量值与2.1 eV光照下深能级光学耗尽时的C-V测量值。”

根据缺陷密度值，可以估算出Shockley–Read–Hall（SRH）和陷阱辅助Auger–Meitner（TAAR）的复合率。

将小信号电致发光（SSEL）与内部量子效率（IQE）的测量结果相结合，可用于区分辐射和非辐射的复合率。内部量子效率是在Lumileds工厂利用LED外部量子效率（EQE）的测量结果确定的，其中LED是由三种材料制造的。已知LED的光提取效率，可以计算出其内部量子效率。

研究人员解释说：“在小信号电致发光中，可计算微分复合寿命的积分得出总复合寿命，而微分复合寿命是通过同时拟合LED的阻抗响应和调制响应直接获得的。”

假定非辐射复合包含Shockley–Read–Hall、陷阱辅助Auger–Meitner、本征Auger（IA）等复合过程。假设Shockley–Read–Hall与载流子浓度（∝n）呈线性关系，陷阱辅助Auger–Meitner为载流子浓度的二次方（∝n²），本征Auger为载流子浓度的余数 (C(n)n³)。此外，还假设Shockley–Read–Hall和陷阱辅助Auger–Meitner与缺陷密度呈线性关系。

将非辐射复合率（ΔRnr）的差异归一化为1x10¹⁵/cm³的缺陷密度差异，并进行比较（图1）。实验数据显示，相对于低载流子密度下的不良样品，优质样品（低缺陷密度）和中等质量样品之间有较多相似之处。

通过数据的二次拟合和相关缺陷密度，可确定非辐射复合系数中的Shockley–Read–Hall和陷阱辅助Auger–Meitner等成分。研究人员指出，虽然实验研究和理论研究倾向于假设陷阱辅助Auger–Meitner与二次方纯粹相关，但“我们仍然不能完全排除其与n³相关的可能性”。

不良材料和优质材料的陷阱辅助Auger–Meitner百分比分别保持在7%和3%以下。研究团队评论说：“在所研究样品中，本征Auger-Meitner复合仍然在非辐射复合中占主导地位，并未发现陷阱辅助Auger–Meitner是导致光效下降或绿光能隙的重要因素。”

分离出非辐射成分后，研究人员可确定（图2），双分子（电子-空穴）复合为光子（B(n)）的系数，本征Auger速率（C(n)）与载流子浓度呈函数关系。不同质量样品的B(n)值非常接近。此外，C(n)的趋势也相当接近。