廣東中民工業技術創新研究院有限公司常務副院長閆春輝博士

 

LED的Droop效應是指向芯片輸入較大電力時LED的光效反而會降低的現象。Droop效應決定了單個LED所能工作的最大電流，因而要實現大光通量必須采用多顆LED或多芯片，或者通過采用增加芯片面積的方式而減少電流密度的方法，這就會導致高功率LED器件的成本大幅增加。在LED業界和學術界，Droop效應一直是大家爭相研究和攻克的技術難題。

 

期間，“SSLCHINA 2021：半導體照明芯片、封裝、模組及可靠性”分論壇由廣東中民工業技術創新研究院有限公司、旭宇光電（深圳）股份有限公司、有研稀土新材料股份有限公司、江蘇博睿光電有限公司聯合協辦支持。會上，廣東中民工業技術創新研究院有限公司常務副院長閆春輝博士現場介紹了“維持Haitz定律：超高電流密度下改善高功率GaN基LED的Droop效應”最新研究成果報告。

 

為了進一步降低固態照明的流明成本，即維持Haitz定律，最有效的技術方法是1）增加LED工作電流密度從而提高輸出功率密度，以及2）提高墻插效率(WPE) 處于高電流水平。在這項工作中，系統研究了在微觀和宏觀尺度上提高電流擴展均勻性，以及載流子注入、載流子復合，以提高工作電流和高注入水平的 WPE。

 

氮化物 LED 最關鍵的問題之一是Droop效應，即 LED 效率隨著注入電流的增加而迅速下降，從而使光輸出功率飽和，過多的電能主要轉化為熱量。影響Droop效應的因素比較復雜，一般可分為非熱Droop和熱Droop兩大類。非熱衰減本質上描述了載流子濃度升高時非輻射過程的控制，包括電子溢出、俄歇復合和空穴注入不足。熱衰減與高電流下的結溫升高有關，因為輻射復合率、Shockley-Read-Hall 復合率和熱離子載流子逃逸率隨溫度變化。發射波長的紅移通常被認為是熱效應的特征，因為 InGaN/GaN  MQWs 的帶隙在高結溫下隨著晶格常數相應擴大而減小。

 

在本報告中，從電學、光學和熱學特性方面系統地研究了具有不同電流擴展設計的器件的下垂效應。芯片面積是固定的，而電流傳輸長度（即 p 和 n 指形電極距離）通過改變手指數量連續調節。通過將給定器件面積的橫向電流傳輸長度從 95靘 減少到 35靘，可以顯著減輕效率下降，因為 150 A/cm2 的 WPE 增加了 64%。隨著飽和電流密度從 155 增加到 292 A/cm2，相應的峰值功率密度從 151 增加到 245 W/cm2，器件的電流容限得到顯著提高。同時，隨著芯片表面溫度的顯著降低，散熱得到改善。

 

在這項工作中，我們進一步研究了對具有不同 In 成分的 GaN/InGaN LED 的Droop效應，即 In0.24（綠色，525 nm）、In0.16（藍色，450 nm）和 In0.08（UVA，395納米) LED。與綠色和藍色器件相比，UVA 器件中 In 成分較低的器件中的下垂緩解效應被發現具有更大的優勢，因為 UVA 器件本身在 EQE 峰值附近具有非常平坦的Droop效應特征，但在高注入時具有不良的熱Droop效應，并且策略的補充目標是提高電流均勻性并減少高注入時的熱量。修改后，In0.1-device 的Droop效應顯著降低，In0.1、In0.16 和 In0.24 LED 在 300 A/cm2 下的下垂百分比分別為 22.8%、35.4% 和 50.5%。