一种通过增加注入复合区以增大发光效率的方法及系统技术方案

本发明专利技术属于半导体发光器技术领域，公开了一种通过增加有效注入复合区以增大发光效率的方法及系统，根据电场分布情况调整量子阱厚度，将量子阱区与势垒区电场方向调到相反，减少载流子的泄露；增大有效复合区域：载流子通过隧穿效应到达一个区域后，将此区域的势垒厚度增大，阻止载流子向两端逃逸，达到增加有效注入复合区的目的，进而增大发光效率。本发明专利技术提供的通过增加有效注入复合区以增大发光效率的方法，根据电场的分布情况，调整量子阱厚度，将注入区的面积调到最大：载流子通过遂穿效应到达一个区域后，将此区域的量子阱厚度增大，以增加注入复合区，能够有效增大发光效率，解决现有半导体器件效率低以及效率下垂等瓶颈问题。颈问题。颈问题。

【技术实现步骤摘要】
一种通过增加注入复合区以增大发光效率的方法及系统


[0001]本专利技术属于半导体发光器件
，尤其涉及一种通过增加注入复合区以增大发光效率的方法及系统。

技术介绍

[0002]基于InGaN材料的白光LED是目前照明市场应用的主流产品，其具有高效、节能环保、可靠性高、体积小、无污染等优势，被誉为第四代照明光源，巨大的市场前景吸引了产业界和学术界极大关注。目前，利用InGaN.材料获得白光有两种方案:一是采用InGaN蓝光芯片加YAG荧光粉转换制成白光LED，这种方案虽然技术成熟、内量子效率高，但是，由于荧光粉非辐射复合的特点使得采用荧光粉转换方法得到的白光LED的发光效率很难突破2001m/W。另一种非常有潜力的方案是RGB三基色混合获得白光，这种方案由于发光过程中没有荧光粉的参与，使得它的发光效率的极限值能够超过2501m/w，这也是未来白光LED照明发展的必然趋势。不管是现在主流的白光方案,还是未来LED方案，InGaN材料都是最重要的选择。
[0003]半导体发光器件由于体积小、重量轻、可靠性高、使用寿命长、功耗低等特点，在照明、显示、激光通信、光存储等军事和民用领域有着广泛应用。目前，高质量半导体发光芯片材料多采用分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法外延制备。尽管半导体发光材料的外延技术已经取得很大进展，但半导体发光器件仍存在发光效率低以及“效率下垂”等瓶颈问题，制约了其在相关领域的应用。
[0004]虽然效率下降的真正原因尚未明确，但俄歇复合、电子泄漏和载流子解局域被认为是效率下降的机制。此外，InGaN多量子阱中的极化诱导内电场对效率下降有很大影响。随着内部电场强度的增加，电子从MQW到p
‑
GaN层的漏失增加，并且空穴注入到MQW有源区，效率日益低下，加剧了效率下降问题。另外，内部电场增加了俄歇复合速率，这也导致了效率下降。
[0005]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0006](1)现有半导体发光器件仍存在发光效率低的问题，严重限制了其性能的提高，制约了其在相关领域的应用。
[0007](2)GaN基材料中的缺陷与In的含量紧密相关，In含量越高，缺陷密度也越大。降低In含量的有效方法是降低温度，但是降低温度会引起晶格缺陷，对发光效率有严重影响。
[0008]由于缺乏合适的衬底材料，InGaN/GaN材料生长过程大多采用异质外延，这导致材料种存在大量的应变缺陷，导致材料中产生了强大的压电场，引起了量子限制斯塔克效应(QCSE)。
[0009]由于半导体材料表面的界面态、杂质玷污或应变的影响，在谐振腔面附近光吸收产生的电子
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空穴对发生非辐射复合，造成较大的能量损耗，降低了器件的发光效率，进而影响器件的输出性能。
[0010]解决以上问题及缺陷的难度为：
[0011]科研人员通过对材料光致发光光谱(PL)研究材料缺陷对发光的影响，发现PL中存在明显的多峰现象，即存在缺陷发光的现象。但是这种研究方法只停留在多峰中的高能峰与带间复合有关、低能峰源于各种缺陷态上，多峰背后更复杂的原因却模糊不清。
[0012]铟的掺入量随生长温度的变化非常敏感，Bedair等在研究中发现，In脱离晶格的速率会随着温度的增加呈指数升高，所以，增加InGaN中In的组分，最有效地方法就是降低生长温度。但是，降低生长温度也会给材料中引入大量微区缺陷，比如螺纹位错、V缺陷、In聚集、N空位增多、炭污染严重等，最终导致晶格质量降低，发光效率下降。
[0013]在InGaN/GaN量子阱(QW)中的自发极化和压电极化引起的电场可以达到MV/cm量级，对材料器件性能会产生重要影响。随着In组分的增加，量子阱中量子限制斯塔克效应(QCSE)更加严重，为了克服QCSE的影响，科研人员采取了多种方法，比如非极性/半极性量子阱的生长、量子点技术以及在量子阱中增加应变层等，然而这些技术都存在一定的问题。
[0014]解决以上问题及缺陷的意义为：
[0015](1)虽然人们对“Efficiency droop”现象的本质存在争议，但是目前讨论较多的产生“Efficiency droop”效应的机制主要有：缺陷态对载流子的非辐射复合、极化效应、载流子的解局域和电子泄露等。但是人们目前对这些复杂的电场机制与光学性质之间的内在联系以及载流子泄露机制还缺乏深入的理解。这些都制约了固态照明技术的进一步发展。为此，本申请提出“一种通过增加注入复合区以增大发光效率的方法及系统”，通过调控材料内部电场以及有效解决载流子泄露问题，进而达到增加有效注入复合区的目的，这不仅提高了载流子复合效率并且有效减少了“效率下垂”等瓶颈问题。
[0016](2)在实现超高能效固态照明方面，InGaN材料由于不仅具有直接带隙，而且带隙范围从0.64到3.4eV连续可调，理论上可以实现从近红外到近紫外的高效发光，被认为是制备发光器件和光伏器件最重要的材料。目前，InGaN基固态照明技术的发展遇到了一些列瓶颈问题，比如“Efficiency Droop”，即随着注入电流的增加LED效率明显减少，这种“效率下降”现象限制了LED在高电流密度下的使用。除了效率问题，高效LED光源的高成本也在一定程度上阻止了LED进入普通光源市场。因此，提高材料的发光效率并有效减少“效率下降”，对固态照明技术的发展具有非常重要的战略意义。

技术实现思路

[0017]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种通过增加注入复合区以增大发光效率的方法及系统。
[0018]本专利技术是这样实现的，一种通过增加注入复合区以增大发光效率的方法包括：根据电场的分布，调整量子阱厚度，将注入区的面积调到最大。
[0019]进一步，所述将注入区的面积调到最大的方法包括：载流子通过遂穿效应到达一个区域后，将此区域的量子阱厚度增大，增加注入复合区。
[0020]进一步，所述将注入区的面积调到最大的方法具体包括：
[0021]步骤一，确定压电场方向。在GaN/InxGa(1
‑
x)N结构的情况下，由于受到压缩应变使N原子的负电荷中心向相反的C方向移动，这意味着InxGa(1
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x)N和GaN层的晶格失配和不同的热膨胀系数在C方向上形成电场；此外，在InGaN/GaN量子阱结构中，InGaN一般受到压应力，因此其压电场方向沿着[0001]方向((如图5中的(b)图))。
[0022]步骤二，计算压电场大小。InGaN/GaN量子阱(QW)中的自发极化和压电极化引起的电场可以达到MV/cm量级，本专利技术通过对In组分与应力关系公式，确定应力与电场关系，从而精确计算量子阱区域电场大小。
[0023]步骤三，绘制p
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i(MQW)
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n的能带结构图，由于量子阱区域内的压缩应变，压电场的方向指向衬底，与内置的PN场相反；
[0024]步骤四，根据电场分布情况调整本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通过增加注入复合区以增大发光效率的方法，其特征在于，所述通过增加注入复合区以增大发光效率的方法包括：根据电场的分布，调整量子阱厚度，将注入区的面积调到最大。2.如权利要求1所述的过增加注入复合区以增大发光效率的方法，其特征在于，所述将注入区的面积调到最大的方法包括：载流子通过遂穿效应到达一个区域后，将此区域的量子阱厚度增大，增加注入复合区。3.如权利要求1所述的过增加注入复合区以增大发光效率的方法，其特征在于，所述将注入区的面积调到最大的方法具体包括：步骤一，确定压电场方向，在GaN/InxGa(1
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x)N结构压缩应变使N原子的负电荷中心向相反的方向移动，InxGa(1
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x)N和GaN层的晶格失配和不同的热膨胀系数在负电荷中心向相反的方向形成电场；步骤二，计算压电场大小，通过对In组分与应力关系公式，确定应力与电场关系，计算量子阱区域电场大小；步骤三，绘制p
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i(MQW)
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n的能带结构图，由于量子阱区域内的压缩应变，压电场的方向指向衬底，与内置的PN场相反；步骤四，根据电场分布情况调整量子阱厚度，将量子阱区的三角形势阱倾斜角度调到限制电子的方向，减少载流子溢出；步骤五，部分载流子通过遂穿效应到达一个量子阱区域后，将此区域的量子阱厚度增大，增加有效注入复合区；步骤六，在最后一个量子阱区增加有效阻挡层，进一步减少载流子的溢出。4.如权利要求3所述的过增加注入复合区以增大发光效率的方法，其特征在于，在步骤四中，将量子阱区的三角形势阱倾斜角度调到限制电子的方向中，抑制快速载流子复合过程是内置的PN电场占主导，阱内的电场与势垒区的电场方向相同。5.一种实施权利要求1～4任意一项所述的过增加注入复合区以增大发光效率的方法的新型量子结构，其特征在于，所述新型量子结构为基于电场调控和隧道效应的LED结构，在中间量子阱区域将势垒厚度依次减薄，减少内部电场，使电子和空穴的波函数交叠程度扩大；电子在这些中间量子阱区域进行隧穿，减少电子的非辐射复合，增加注入复合区，使得电子限制在三角形势阱底部，载流子不能逃出势阱。6.如权利要求5所述的新型量子结构，其特征在于，在电子隧穿到最后一个量子阱时，增加...

【专利技术属性】
技术研发人员：安雪娥，潘汉怀，邵瑛，
申请(专利权)人：上海电子信息职业技术学院，
类型：发明
国别省市：