《Ceramics International》：电子阻挡层提高绿色发光二极管效率

编辑推荐：本文研究了不同电子阻挡层对GaN基绿光发光二极管的效率影响。采用常规AlGaN、梯度AlGaN、四元AlGaN和三元AlInN电子阻挡层，对每种器件的性能进行了评价。介绍了器件的载流子输运、辐射复合率、静电场、发射光谱和效率特性。

尽管III族氮化物取得了巨大的进步，但在高电流密度下，其性能显著下降。考虑到高功率应用，来自巴基斯坦的研究人员模拟和分析了四种InGaN/GaN基绿光LED结构，分别是常规AlGaN、梯度AlGaN、四元AlGaN和AlInN电子阻挡层。相关论文以题目为“Analysis of various electron blocking layers to improve efficiency in green light-emitting diodes”发表在Ceramics International期刊上。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884220310956

最近，GaN/InGaN基发光二极管（LED）在背光照明和普通照明方面有着巨大的应用。但是出现了“效率下降”问题。各种物理机制已被报道为这种下降的可能原因，包括俄歇复合、电子泄漏、极化场、有限空穴注入、载流子离域和量子受限斯塔克效应（QCSE）。传统上，在InGaN/GaN发光二极管中使用AlGaN电子阻挡层（EBL）以减少有源区的电子泄漏。AlGaN电子束层除了最小化热电子逃逸外，还增加了空穴的势垒高度，导致量子势垒（QB）和电子束层界面处的能带弯曲。研究人员提出了许多可能的解决方案来缓解这个问题。已经提出了几种EBL设计，包括梯度EBL、三元AlInN EBL、AlGaN/GaN/AlGaN基EBL、四元（GaAlInN）EBL和一些特别设计的EBL。

在这项研究中，使用Apsys模拟了四种不同电子阻挡层的LED的光学和电学特性。有源区由三对量子阱(QW)组成。每个阱和势垒的厚度分别为2.6 nm和8.5 nm。有源区位于p-GaN(厚度：0.15μm，掺杂：1×10¹⁸ cm⁻³)和n-GaN(厚度：3μm，掺杂：5×10¹⁸ cm⁻³)之间。在常规发光二极管(CLED)中，在有源区和p-GaN之间插入Al_0.15Ga_0.85NEBL(厚度：0.020μm，掺杂：3×10¹⁷ cm⁻³)。在梯度Al_xGa_(1-x)NEBL(GeBL)中，生长方向的电子阻挡层中的铝含量从0%到15%不等。在四元EBL(QLED)中，用四元Ga_0.65Al_0.2In_0.15N取代传统的EBL。类似地，在三元LED(TITE)中，采用三元Al_0.8In_0.2N组成作为EBL。所有EBL的厚度都是相同的。具有不同EBL的整体器件结构示意图如图1所示。

图1。GaN基3QW发光二极管原理图（a） 常规EBL（CLED），（b）分级EBL（GEBL），（c）四元EBL和三元EBL。

图2(A)、(B)、(C)和(D)分别显示了CLED、GLED、QLED和TITED的能带图。为了缓解电子溢出，典型的GaN基LED在结构的p侧采用AlGaN EBL。如图2(A)所示，由于CLED的最后势垒和常规EBL界面的巨大极化效应，电子仍然可以在不与空穴重组的情况下逃离有源区。CLED空穴的价带有效势垒高度为347 meV。在GLED中，可以在图2(B)中观察到渐变EBL，这导致孔的有效势垒高度降低，即与CLED相比，有效势垒高度降低，即309meV。有效势垒高度的降低与文献一致。

图2。（a）CLED（b）GLED（c）QLED（d）TLED的能带结构。阴影区域显示电子阻挡层。

图3示出了分别在40A cm⁻²处穿过四个LED结构中的有源区的载流子浓度。从图3（a）可以观察到，与其他LED相比，电子浓度在LED中最高。有趣的是，电子浓度第二高的是CLED。第三和第四高浓度的电子分别在GLED和QLED中。

图3。比较（a）电子（b）空穴在整个有源区的浓度。

图4（a）显示了每个LED器件有源区内的模拟辐射复合率。可以回顾，辐射复合取决于每个量子阱内载流子的辐射复合概率。

图4。比较（a）跨有源区的辐射复合和（b）所有LED的垂直电子电流密度。

总的来说，本文研究了GaN基绿色发光二极管中不同EBL的性能。结果表明，与其他LED结构相比，QLED具有最高的内部量子效率和最低的效率下降。QLED似乎是实现最高效率的最有前途的器件。（文：爱新觉罗星）