LED中基于应力的载流子动力学机制及其对droop效应的影响研究

The efficiency droop phenomenon under high current density in LED has became a key technical limitation of the solide state lighting industry development.However, there were defects in conventional researches on droop effect since the strain state was not considered overall. This project will investigate the accumulation and relaxation mecanism in GaN quantum wells and explore the influence of strain state on the carrier dynamics, such as carriers transport, recombination, leakage, and so on. The carrier dynamic model based on strain will be established. This model will be used to investigate the origin and parameters of droop effect in GaN based LEDs under various strain states, and also be used to optimize the LED structure and suppress droop effect, which will enhance the luminous efficiency of LED under high current density. This project will make progress in the field of the physical mechanism research and epitaxy technology of LED, and improve the research and development of the key technology for LED in China.

大电流下LED的量子效率下降效应（droop效应）已经成为半导体照明产业发展的关键技术瓶颈，传统的研究没有综合考虑应力状态对droop效应的影响，存在缺陷。本项目研究复杂的GaN基LED量子阱中应力的累积与释放机制，进而研究应力状态对载流子的输运、复合、泄露等动力学机制的影响。在此基础上构建基于应力影响的载流子动力学模型，采用该模型研究各种应力状态下的GaN基LED中的droop效应的起因和影响因素。利用构建的模型优化LED的结构，抑制droop效应，提高大电流下LED的发光效率。 本项目的实施将在LED物理机制研究及外延技术领域取得进步，提高我国LED关键技术的研发水平。

大电流下LED的量子效率下降效应（droop效应）已经成为半导体照明产业发展的关键技术瓶颈，传统的研究没有充分考虑应力状态对的影响，存在缺陷。本项目针对复杂的量子阱结构中InN/GaN/AlN三元材料体系计算了应力的累积和释放过程，引入热膨胀系数失配和杨氏模量与量子阱厚度变化的关系，改进了原有模型，区分位错与局域态这两种机制，优化了应力累积和释放过程的模型；在此基础上，开展了高品质GaN、AlN和InAlN等材料的外延技术研究，获得了高品质的外延材料，为进一步开展不同波长的LED外延奠定了基础；通过开发遗传算法进行载流子输运、复合、泄露的ABC模型数值拟合，优化了载流子动力学模型的模拟计算，建立了应变状态与载流子动力模型的数学对应关系；在此基础上，深入进行了量子阱结构的设计工作，通过插入层、阱宽、量子阱个数、等不同参数的优化设计，开发出具有高内量子效率的量子阱结构，在大电流下有效的降低了droop效应，并通过实验验证了设计的有效性，电流密度100mA/cm-2时比20mA/cm-2时下降不超过15%；在开发的蓝光LED基础上，进一步开发出高品质白光LED的半导体照明技术并进行成果转化。本项目实施过程中发表学术论文17篇，会议报告1篇，授权发明专利2项，申请发明专利6项，授权实用新型2项，发布广东省地方标准1项，培养研发人员7名，孵化企业1家。本项目在LED物理机制研究及外延技术领域取得进步，开发出高品质的AlN、GaN等材料，通过对载流子动力学的研究优化了LED结构，开发出大电流下高性能的LED，不仅促进了于半导体照明产业技术的发展，对于进一步开展紫外LED等领域的研究也有重要的指导作用。