文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123035
AlGaN电子阻挡层对LED结温和发光效率的影响基金项目:国家自然科学基金-广东省联合基金重点项目(No. U1034004),国家杰出青年科学基金(No. 50825603),中央高校基本科研业务费专项资金(; No. 11ZG01)
王天虎1,徐进良1*,王晓东2
(,北京 102206
,北京 102206)
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摘要:对有无电子阻挡层两种LED芯片进行了模拟研究,引入焦耳热和非辐射复合热两种内热源,对芯片的内量子效率,发光功率,发热特性及结温进行了系统分析。结果表明,引入AlGaN电子阻挡层后,效率下垂效应得到明显改善,发光功率显著提高。原因是p型区和活性区间有效势垒的提高,削弱了漏电流效应,使量子阱中载流子浓度及辐射复合率增强。同时,由于活性区中非辐射复合热也相应增加,使相同电流下有电子阻挡层的LED芯片产热量增加,导致芯片结温在240 mA电流时提高了20K。
关键词: LED;量子阱;温度场;内量子效率
引言
多量子阱发光二极管(LED)作为新一代发光器件,具有节能、环保、长寿命、多色彩、体积小等众多优点。因此在通信、信息、显示和照明等领域均显出巨大商业应用前景[1-3]。尽管大功率高亮度LED已开始商业生产,但发光效率随注入电流增加显著下降,即效率下垂效应(efficiency droop)[3],其物理机制仍存在争议。目前很多研究者关注于漏电流效应机制[3-5],在InGaN/GaN LED中,空穴具有较大有效质量因而迁移率很小,不利于空穴从p型区向量子阱中输运,相反,电子有效质量很小而迁移率很高,输运能力很强,很容易越过势垒从活性区逃逸到p型区成为漏电流。由于AlGaN具有比InGaN/GaN较高的带隙,为克服上述不足,AlGaN电子阻挡层(EBL)被用来抑制电子漏电流[6,7]。然而是否采用EBL仍存在争议,而且这些研究基本都忽略了内热源的影响[3,6-8]。
LED工作时,载流子在其内部的输运及复合决定了焦耳热和复合热的分布规律。但由于GaN 基半导体材料存在较强的自发极化和压电极化现象,在EBL和量子阱异质结界面处会出现极化电荷[4],导致的极化电场将影响载流子在活性区与p型区间的输运,从而影响量子阱中的载流子浓度,进而决定了LED内部非辐射复合热及焦耳热,决定芯片温度场。温度场又会影响活性区的带隙等物性参数,因此LED的光电特性与p型区附近的能带结构及随之改变的内热源紧密相关。可见,EBL在LED的光电特性中起重要作用。目前AlGaN EBL对LED内热源及结温的影响少有研究,本文将内热源考虑在内,对有无EBL的两种LED芯片进行了系统研究,从热效应角度揭示EBL影响LED结温和光效的内在机理。
芯片结构与数学模型
本文设计了两种LED芯片,图1为芯片结构示意图。芯片A中,厚100 μm 的蓝宝石衬底上生长3 μm的n-GaN层(掺杂浓度5×10
18 cm-3),, n