载流子寿命揭示了LED光效下降的多重诱因

载流子寿命揭示了LED光效下降的多重诱因

对载流子寿命的分析揭示了在高电流密度下载流子泄漏占主流时，载流子的离域（delocalisation）效应是引起LED光效下降的起因。

中国清华大学研究小组最近的研究成果为俄歇效应不是LED光效下降主要诱因的观点提供了新的证据。通过对载流子寿命差异的分析，研究人员发现在较高电流密度下因载流子泄漏形成的载流子离域（delocalisation）效应是产生光效下降现象的起因。

由于俄歇复合和载流子泄漏这两种过程对于载流子寿命的影响完全不同，由此来自清华研究小组的方法可以对这两种过程进行区分。俄歇复合会增加复合速率，因此会降低载流子寿命，但是电子泄漏对载流子寿命没有影响，它只会降低活性区的载流子浓度。

他们工作最为重要的贡献之一就是将实验装置实现了最优化，从而能以更高的精度来测定载流子的寿命。在掌握了这些技术信息后，研究小组对外量子效率及载流子寿命的电流函数曲线进行了拟合，通过应用著名的ABC模型，获得了对光效降低影响因素的进一步认识。

通过分析载流子寿命的差异来推测光效降低的起因并不是一个新的设想。早在2013年，来自芬兰Aalto大学的Markku Sopanen研究小组就已经采用过这种方法，进行了微秒级精度的载流子寿命测量。他们的测量结果比中国研究组的结果要大一个数量级，而中国小组认为这种测量值上的差异可能是由芬兰小组所采用高速探测器的寄生电容所引起。

Philips Lumileds公司的两位研究者也通过分析载流子寿命的差异来研究光效降低问题，在假设100%的注入效率的条件下，通过载流子寿命数值来确定载流子的浓度。

为了排除因为电阻和电容引入的相移问题，将一个负载电阻和光探测器进行串联。由于所得到的信号强度太弱，达不到示波器所需的信噪比，因此在探测电阻端加入了一个前级放大器，同样在电信号负载电阻端也加入一个前级放大器，以消除因使用前级放大器而造成的相位延迟问题。

而清华大学论文的作者Lia Wang认为这种方法是有缺陷的，因为由此确定的A、B、C三个系数有着很大的宽泛性，“根据这些系数是不可能来正确地计算出外量子效率和载流子寿命的”。

Wang和他的合作者在商业化的绿色和蓝色LED上进行了他们的测量，用一个交流信号来调制直流注入电流，并比较了LED电信号输出和光信号输出间的相位差。测量发现在2mA电流时蓝色LED的载流子寿命是103.2 ns，而绿色LED的载流子寿命是198.7 ns。如果电流增加到50mA，蓝、绿LED的载流子寿命值则分别降至37.2 ns和50.8 ns。

为了证明俄歇复合不是造成光效降低的主要因素，该研究组首先假设光效降低仅仅只是由俄歇效应所引起，然后他们再尝试对载流子寿命倒数与载流子密度的函数曲线进行拟合，发现完全没有可能拟合出理想的曲线。同样，对外量子效率和注入电流间的函数曲线也无法进行拟合。仅用载流子泄漏来解释光效降低现象也无法得到理想的曲线拟合，而结合考虑载流子泄漏和俄歇复合两个因素所得到的拟合结果将会更糟。所以研究小组提出了另一种损耗机制，即载流子的离域（delocalisation）效应，即是在较高驱动电流下它会使到达非辐射中心载流子数量增加而导致光效的降低。综合考虑载流子泄漏和载流子离域（delocalisation）效应这两个因素所拟合出来的曲线就非常之理想。

Wang说道：“我们接下来的工作计划是设计一个新颖的活性区域来降低载流子的浓度”， “以及设计一个超晶格电子阻挡层，使得不仅能够增加它的电子阻挡能力，同时也能增强空穴的隧穿注入”。

X. Meng et. al.  Appl. Phys. Lett.  108 013501 (2016)