辐射复合饱和导致LED光效下降

当LED器件骤降到极低温，由于有源区的有效范围下降，LED在低电流驱动下光效下降

来着韩国的研究小组对于LED随着温度降低发光效率下降给出了一种不同的解释。他们对于器件发光效率随着温度降低而下降给出了多种理由，提出的理论解释包括：载流子泄露、有效发光区域减少，以及饱和度的辐射重组率等。

来着韩国汉阳大学的研究人员从InGaN蓝绿光LED的内量子效率入手，他们研究了温度从50K到300K变化，驱动电流从1μA到10mA范围内变化，量子效率的变化情况。

在极低温下LED效率骤降源于载流子泄露。载流子泄露的程度则取决于有效发光区域减少程度和随后的饱和度的辐射重组率。

实验所用的蓝绿光器件尺寸分别为 350μm x 430μm 和 400μm x 400μm，铟组分分别为20%和35%。这些采用TO方式封装的LED器件采用闭循环的低温恒温箱并放在铝基板进行温度测试。

来自汉阳大学的通讯作者Jong-in Shim 说：“铝基板到LED芯片的整体热阻并不高，在给定的驱动电流下，铝基板到LED有源层的温度梯度并不足以引起效率下降。”

Shim指出温度低于100K，电流在0.1mA以下才会发生效率下降。这种情况下LED芯片的功率耗散非常小。因此实际温度和记录温度之间的温差不足以对测试中所观察到的效率下降产生影响。

测试实验的实验发现之一是当蓝绿光LED的温度下降较小时，内量子效率(internal quantum efficiency, IQE)有所上升，并没有明显的光效下降产生。Shim和他的同伴相信这是由于温度下降导致量子阱中的缺陷数量的单调下降，而缺陷则是导致非辐射复合的重要原因。

温度进一步下降——蓝光LED降到200K以下，绿光LED 降到 250K以下时，器件的性能会发生戏剧性变化，只有在极低的驱动电流下才会发生光效下降。

研究小组据此得出两个结论：在低温下光效下降的主导机制发生本质变化；俄歇复合并不是光效下降的主因，因为它不会对低温下的光效下降产生影响。

为更进一步研究光效下降的原因，研究小组测试了不同温度下的电致发光。在两种LED当中，温度降低都使得EL在400nm左右有一个发光峰（如图所示）。这个发光峰是由于电子泄漏到p-GaN盖层当中，与p-GaN当中的Mg受主发生复合所引起的。

 图:   温度骤降揭示电子泄漏

Shim和他的同伴相信电子泄漏是低温下光效下降的主要原因。由于在低电流注入下辐射复合饱和，非辐射复合率也会下降，那么当温度骤降，电子泄漏会更加严重。

有源区有效发光范围下降会导致低电流注入下辐射复合饱和。由于温度下降所引起的载流子输运下降，有源区的利用减少，有效发光区域相应减少。具体地说，在较低温度下空穴输运下降，空穴激活率降低导致了量子阱中的空穴减少，相应的有效利用区域减少。

理论争议

Shim和他的同伴并不是唯一对于温度对LED效率影响进行研究并采用上述测试方法研究光效下降的起源的。例如，Fred Schubert研究小组，同样也在研究不同电流和温度下蓝光LED的效率问题，他们声称光效下降是由于电子和空穴浓度不对称性所引起的载流子输运以及载流子注入方式的不同（见Appl.Phys. Lett. 99 25115 (2011)）。

Shim说：“载流子输运的确是影响光效下降的重要因素之一。但我们认为还有一个更为重要的因素，辐射复合的饱和。”

根据他的说法，Fred Schubert研究小组的理论模型主要是基于p-n同质结，并且没有考虑到辐射复合发生的有源区。尤其重要的是，它无法解释下面的三个实验观察结果：光致发光诱导光效下降；不同颜色的LED光效下降的幅度不同；器件结构对LED性能的影响。

关于他的第一点，Shim引证了欧司朗和飞利浦的独立工作来说明，光致发光具有和电致发光类似的，共振会诱导光效下降。Shim说：“这表明还有另外一个重要因素引起光效下降，并且是源于量子阱区。”

关于他的第二点，Shim补充说：紫外LED当中P型AlGaN要比蓝光和绿光当中显示出更大的载流子不对称性。然而紫外LED当中的光效下降要比蓝光当中小。

Fred Schubert回应了Shim提出的诸多质疑。他指出他们研究小组的实验结果表明共振光致发光的光效下降要比电致发光光效下降需要更大的激发密度。他说：“因此，共振光致发光和电致发光的物理机制并不相同。我也并不排除载流子泄漏是光致发光光效下降的原因。”

Schubert表示：我们可以从两个方面解释绿光LED要比蓝光LED更容易产生光效下降：更强的极化电场使得载流子更难被捕获；更低的生长温度使得p型GaN材料质量更差，同时p型载流子浓度和迁移率也较低。

Schubert研究小组最近发表了一篇关于LED光效下降分析模型的文章（见Appl.Phys. Lett. 100 161106 (2012)）。在这一模型当中，加宽有源区有利于降低光效下降，换句话说，有源区的设计会对器件性能产生影响。Shim提出的基于铟富集的观点也引起了争议。来自剑桥大学的Humphreys研究小组，致力于采用扫描电子显微镜和原子探针扫描研究GaN结构，他们的观点认为量子阱当中并不存在铟富集。

Shim对于他们研究工作所作的回应是，铟会被点缺陷和线缺陷隔离。他引用其他人的研究报告，报告中采用原子探针及近场扫描光学显微镜等设备观察到了铟的富集（分别参见Stat. Sol. RRL 3 100(2009)和Appl. Phys Lett. 87 161104(2005)）。

Shim和他的同伴会继续致力于研究LED的光效下降。尤其突出的是他们计划部署实验来研究辐射复合和非辐射复合的寿命问题，辐射复合的饱和程度与光效下降的联系以及能够抑制光效下降的器件结构。