有源区内电场对GaN基绿光发光二极管内量子效率影响的研究

The availability of high efficiency GaN based green LEDs will further enhance the performance of LED in general lighting field for improving color quality such as color temperature and color rendering index. At present, the efficiencies of GaN based green LEDs are not so high, the “Droop” effect is the main reason which affects the efficiency of GaN based green LEDs. This project will base on the research of Si substrate GaN based green LED, aim to find methods of restraining Droop effect and enhance internal quantum efficiency (IQE) by investigating the influence of internal electric field in active region on IQE. The project will study on: (1) characterization of internal electric field in active region and its influence on IQE; (2) device structure design and material growth methods to decrease piezoelectric field and increase pn junction build-in field in active region; (3) new structure and technology of using leakage carrier to emitting light. The objects include: (1) establish a method to evaluate the magnitude of internal electric field in the quantum wells of GaN based LEDs; (2) choose proper device structure and material growth method to adjust the intensity of internal electric field in quantum wells; (3) understand the mechanism of Mg memory effect and find out methods to eliminate it; (4) obtain GaN based green LEDs with IQE higher than 60% and light output power greater than 360mW (@350mA, 35A/cm2, 520nm).

GaN基绿光LED的引入将进一步提升LED照明的色温、显色性等色品质，然而进一步提高其效率是前提。在影响GaN基绿光LED效率的因素中，效率衰退效应(Droop效应)是最主要的一个。本项目以硅衬底GaN基绿光LED为平台，从有源区内电场对内量子效率的影响入手，以期搞清抑制Droop效应、提升内量子效率的方法。研究内容: (1)有源区内电场的表征及与内量子效率间的关系；(2)减小量子阱内压电极化电场及增大pn结自建电场的材料生长与器件设计方法；(3)利用泄漏电子发光的LED新结构及所需技术。研究目标：(1)建立评估GaN基LED量子阱内电场大小的方法；(2)建立调控量子阱内电场的器件结构和生长方法；(3)搞清Mg记忆效应的机理及消除方法；(4)获得内量子效率大于60%，光输出功率大于360mw (350mA, 35A/cm2, 520nm) 的GaN基绿光LED。

经理论计算，采用多基色高光效LED（如红、橙、绿、青、蓝）以适当比例合成白光，是解决现有蓝光LED+荧光粉白光显色指数、色温和光效之间难以协调发展问题的有效途径，是一种高品质LED照明方式。本项目立项的2013年，在电流密度35 A/cm2下，蓝光LED功率效率超过60%，红光达50%，然而绿光不足30%，此现象被称为“绿光鸿沟”。可见，获得高光效绿光LED是高品质LED照明的当务之急。.本项目围绕“绿光鸿沟”问题设立研究内容和目标，经过5年的研发，建立了评估GaN基LED量子阱内电场大小的实验平台和实验方法；通过垒掺Si的方法实现了对内建电场的控制，从而有效屏蔽了压电极化电场，探索了其中的科学机理；搞清了GaN基LED生长过程中Mg记忆效应的机理和缓解Mg记忆效应的方法；开发了数十项行业共性关键技术，通过整合这些技术，获得了内量子效率61.7%，光输出功率360.9mW（350mA，35A/cm2，519nm）的GaN基绿光LED，大幅缓解了“绿光鸿沟”问题。.项目研发的高光效绿光LED技术在南昌黄绿照明有限公司实现了转化，形成多款细分市场产品，包括特种标识户外光电产品用绿光芯片、舞台灯用绿光芯片、战斗机抬头显示高效背光源绿光芯片、RGB景观亮化用绿光芯片等，受到了客户的一致好评，为相关客户带来了显著经济效益。同复旦大学展开合作，采用项目研发的高光效单面出光硅衬底绿光LED芯片开展了水下LED通信实验，水下传输1.2米时速率高达2.3Gb/s。另外采用项目研发的高光效绿光制作了五基色（红、黄、绿、青、蓝）单灯珠光源，水下传输1.2米时速率高达15.17 Gb/s。相比激光通信，LED优势在于无需对准，容易实现大功率传输，今后可望实现水下大功率百米到km级通信，解决水下通信的难题。