采用量子点-阱组合结构来增加绿光LED的效率

采用量子点-阱组合结构来增加绿光LED的效率

具有量子阱上量子点结构的 LED能够发出更强的绿光。

中国清华大学的研究人员通过在绿色发光量子点下方加入了一个量子阱，使得其内量子效率提高了至少两倍，量子点效率得以提高的原因是改进了载流子的传输方式，使得电子能够从阱中隧穿进入量子点中。

论文的通讯作者Lai Wang说：“据我了解，这是首次报道这种结构所具有改进性能。”

这个位于北京的研究团队的成果将有助于推动高效率、高色调质量白光光源的发展，这种光源是由红、绿、蓝三种颜色LED所组成。以往白色光源的性能主要是由内量子效率相对较低的传统量子阱型绿色LED所决定，而这种绿光发射器件的效率主要受到两个因素的限制：在功能活性区，由于热学和晶格失配导致的高强度应变会产生光猝灭型缺陷；在阱结构中，较强的压电极化场能将电子和空穴分离，会降低它们辐射复合的可能性。

用量子点来代替阱结构能够通过降低应变和内部电场的方式来同时解决这两个问题。但是加入这些三维岛状结构后会减少载流子的俘获截面。在器件中，这意味着注入到活性区中的很多载流子会向外泄漏，从而降低了量子效率。

最初，来自清华大学的研究团队尝试在他们的LED结构中加入5-10层量子点来提高对载流子的俘获能力。Wang解释道：“然而，载流子的泄漏现象依然存在”。他指出，具有更多层量子点的较厚活性层会产生更多的缺陷，比如由于应变弛豫而产生的V形凹坑或者位错等，这些不完整性对器件性能都会造成伤害。”

在发射绿光的量子点下方加入一个阱结构能将其内量子效率提升到45%

为了不降低活性区的质量而又能增加对载流子的俘获能力，研究团队转而采用调整器件的结构，也就是在制作量子点层之前增加了一个InGaN量子阱。通过对一系列不同结构的尝试努力，确定了该量子阱的理想厚度和成分，以及将之与量子点层分隔的阻挡层厚度。

实现这个目标的可选方法之一就是通过建模来对器件结构进行优化。然而，这种方法后来被排除了，因为要对量子点的生长动力学进行模拟是件十分困难的事情。

为了找到可以替代的方法，研究人员在经图形化的蓝宝石衬底C面上用MOCVD的生长方法制备了8个量子阱-量子点耦合样品。每个样品都包含有30nm厚的低温GaN缓冲层、一个2μm厚的未掺杂GaN层、一个活性层和一个9nm厚的GaN覆盖层。

为了制备一系列不同的样品，研究团队制备了不同厚度（3.5nm、4.5nm或5.5nm）不同铟含量（6%、12%或24%）以及不同阻挡层厚度（2nm-8.5nm）的带有InGaN量子阱的异质结构。

量子点的生长分为两个步骤，先在阻挡层上沉积1.5nm厚的In_0.3Ga_0.7N薄膜，紧接是20s的生长中断过程，在这期间薄膜会进行重整而形成岛状的量子点。

在300K和13K的温度下来测量光致发光强度，并比较这两种温度下的测量结果，为所有样品的内量子效率提供数据。发现成分为In_0.12Ga_0.88N，厚度为4.5nm的量子阱并具有一个4.5nm厚阻挡层所构成的异质结构具有最高的内量子效率，可以达到45%。相比之下，没有量子点活性区、4.5nm 厚的In_0.12Ga_0.88N量子阱结构的对照样品，其内量子效率只有21%。

Wang相信，还可以对这种结构进行进一步的优化。“我们的优化结果只对这种InGaN量子点有效，这种量子点是通过MOCVD‘两步’生长中断方法来制备，名义上它应该有1.5nm高，铟含量为30%”。对于不同的量子点来说，它的量子阱宽度、阻挡层厚度和量子点成分应该有不同的最优值。

Wang还说道：“除此之外，我们的结构还只有一个耦合周期的量子阱和量子点，如果我们增加量子阱-量子点结构的耦合周期，其内量子效率还可能会有进一步增加”。最近，我们研究团队正在采用三至五个量子阱-量子点的耦合周期来制备新型激光二极管，“目前，我们正在进行这种器件的工艺流程” 。

J. Yu et. al. Appl. Phys. Express 8 094001 (2015)