李夢(mèng)梅，胡小玲，郭偉玲

(北京工業(yè)大學(xué) 光電子技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100020)

引言

LED是一種固態(tài)光源[1]。憑借能耗低、響應(yīng)快、體積小等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于指示燈、顯示器、一般照明等領(lǐng)域[2-4]。自GaN LED產(chǎn)生以來，隨著人們研究的深入和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，LED的研發(fā)技術(shù)得到不斷的創(chuàng)新和突破，其能效快速地提升。

能效即光電轉(zhuǎn)換效率，是輸入的電功率轉(zhuǎn)換成輻射功率的效率，高能效是發(fā)光器件追求的目標(biāo)。對(duì)于白熾燈而言，其發(fā)光機(jī)制是熱輻射，光電轉(zhuǎn)換效率約為5%，光效約為10～15 lm/W[5, 6]。雖然熒光燈的紫外光輻射較高，但熒光粉的轉(zhuǎn)換效率較低，限制了其高光效的實(shí)現(xiàn)，其光電轉(zhuǎn)換效率約為20%～25%，光效為50～85 lm/W[5]。相比白熾燈和熒光燈，LED光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到40%～80%，產(chǎn)品光效高達(dá)100～150 lm/W[7, 8]。憑借其高能效和高光效，LED已逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源成為新一代光源。

1 影響LED光源能效的因素

LED從外延到最后制成應(yīng)用系統(tǒng)依次需要經(jīng)過外延生長(zhǎng)、芯片制備、器件封裝、系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)這四個(gè)過程，每個(gè)過程都會(huì)影響LED光源的能效。LED光源的能效受驅(qū)動(dòng)裝置、封裝、熱效率與固定和光學(xué)系統(tǒng)的影響，如圖1所示。從封裝的LED角度，提升電注入效率、內(nèi)量子效率(IQE)、外量子效率(EQE)、熒光粉效率和散射效率能達(dá)到提升LED光源能效的目的。內(nèi)量子效率指單位時(shí)間內(nèi)從有源區(qū)發(fā)出的光子數(shù)與注入有源區(qū)的電子數(shù)的比值。外量子效率是指是單位時(shí)間內(nèi)出射到自由空間的光子數(shù)與注入電子數(shù)的比值。外量子效率等于內(nèi)量子效率與光提取效率的乘積，光提取效率是指單位時(shí)間內(nèi)有源區(qū)發(fā)出的光子數(shù)與逸出到自由空間光子數(shù)的比例。

圖1 影響LED光源能效的因素

2 提升LED內(nèi)量子效率的研究

內(nèi)量子效率主要取決于多量子阱內(nèi)載流子的輻射復(fù)合率，其受到多量子阱的生長(zhǎng)質(zhì)量、載流子的限制、量子限制斯塔克效應(yīng)等[9]因素的限制。研究者們通過圖形化襯底外延技術(shù)、電子阻擋層技術(shù)、納米柱器件結(jié)構(gòu)等提高內(nèi)量子效率。

2.1 圖形化襯底外延技術(shù)

GaN基藍(lán)光和綠光LED通常在c面藍(lán)寶石襯底上外延InGaN/GaN多量子阱，但是藍(lán)寶石襯底與GaN外延層之間存在較大的晶格失配(失配率約為16%)和熱失配(失配率約為26%)[10, 11]，導(dǎo)致GaN外延層在生長(zhǎng)的過程中產(chǎn)生高達(dá)109～1012cm-2的位錯(cuò)密度，進(jìn)而形成非輻射復(fù)合中心，降低LED的IQE和壽命[12]。

圖形化藍(lán)寶石襯底技術(shù)是在藍(lán)寶石上做出微米級(jí)甚至納米級(jí)的圖形結(jié)構(gòu)，一方面通過誘導(dǎo)GaN橫向外延來降低藍(lán)寶石襯底與GaN外延層的位錯(cuò)密度，提高晶體質(zhì)量[13, 14]；另一方面圖形化藍(lán)寶石襯底上的圖案能夠散射有源區(qū)發(fā)射的光子，增加光子逸出到體外的概率，從而增加光提取效率。主要是通過濕法腐蝕和干法刻蝕，形成凹槽形、半球形、圓錐形、梯形等。

2016年Hsueh等[15]制備的梯形藍(lán)寶石襯底LED。在350 mA的注入電流下光輸出功率為254 mW，比平面藍(lán)寶石襯底LED高61.8%。2017年Huang等[16]在c面藍(lán)寶石襯底上采用新型自組裝網(wǎng)狀Pt薄膜作為掩膜版制備了納米空腔型藍(lán)寶石襯底，藍(lán)寶石襯底與GaN層的交界面如圖2所示。其結(jié)構(gòu)與平面襯底LED相比，具有更低的壓應(yīng)力，光輸出功率增加了45%。2019年Xing等[17]提出了SiO2復(fù)合圓錐型的藍(lán)寶石襯底結(jié)構(gòu)如圖3所示。并制備了圓錐型藍(lán)寶石襯底器件作對(duì)比，通過計(jì)算特定GaN外延區(qū)域的位錯(cuò)數(shù)來估計(jì)整體GaN外延層的位錯(cuò)密度，普通型圓錐型的位錯(cuò)密度降至5.7×107cm-3，而復(fù)合型的位錯(cuò)密度大幅度下降至8.5×106cm-3，位錯(cuò)密度比普通型減少了一個(gè)數(shù)量級(jí)，光輸出功率增加了30%。復(fù)合型襯底可以有效地避免在側(cè)壁區(qū)域生長(zhǎng)的GaN與襯底c面區(qū)域生長(zhǎng)的GaN相結(jié)合而產(chǎn)生的缺陷，提高外量子效率。

綜上所述，圖形化襯底可以減少GaN外延的壓應(yīng)力、位錯(cuò)密度，提高晶體質(zhì)量，增加光輸出功率，進(jìn)而提高外量子效率。

圖3 SiO2復(fù)合型圓錐藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)[17]

2.2 電子阻擋層技術(shù)

由于GaN基LED空穴具有較高的有效質(zhì)量和較低的遷移率，導(dǎo)致空穴在最后一個(gè)量子壘和p-GaN之間堆積，難以有效的輸運(yùn)到有源區(qū)。而電子具有較低的有效質(zhì)量，其遷移率比空穴高一個(gè)數(shù)量級(jí)，電子的運(yùn)輸比空穴更為有效，致使有源區(qū)內(nèi)電子和空穴分布不平衡，導(dǎo)致IQE較低。為了平衡有源區(qū)內(nèi)電子和空穴分布，增加P區(qū)空穴濃度是最直接的方法。然而，P區(qū)摻雜的Mg熱電離能很高導(dǎo)致激活率很低，過高的Mg摻雜會(huì)產(chǎn)生自補(bǔ)償效應(yīng)[18]。另一種方法是在多量子阱結(jié)構(gòu)后加入電子阻擋層(EBL)，抑制電子泄漏，減緩有源區(qū)內(nèi)電子空穴分布的不平衡。

傳統(tǒng)的電子阻擋層是P-AlGaN層，由于其阻擋電子的作用較弱，電子很容易躍過阻擋層到達(dá)p-GaN區(qū)，與空穴發(fā)生復(fù)合形成電子漏電流。在大電流下漏電流現(xiàn)象更嚴(yán)重。近年來，有研究者提出了漸變Al組分電子阻擋層的概念。2014年Liu等[19]進(jìn)行了漸變Al組分與傳統(tǒng)p-AlGaN EBL的對(duì)比研究，結(jié)構(gòu)如圖4所示。在變電流測(cè)試下，沿生長(zhǎng)方向Al組分遞減的EBL，輸出光功率最大，隨著電流的增大EQE下降的最少。沿生長(zhǎng)方向Al組分遞減的EBL改進(jìn)了傳統(tǒng)的EBL，抑制了有源區(qū)電子空穴分布不平衡，緩解了droop效應(yīng)。

2019年P(guān)rasad等[20]又進(jìn)一步研究了漸變Al組分的EBL,設(shè)計(jì)了雙側(cè)階梯型漸變Al組分EBL結(jié)構(gòu)如圖5所示。在電流密度為200 A/cm2時(shí)，該結(jié)構(gòu)的IQE高達(dá)96%，相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提升了31.5%，輸出光功率提高了3倍。在0～200 A/cm2的變電流密度下，IQE僅下降5%，但是傳統(tǒng)EBL結(jié)構(gòu)卻下降了70%。此結(jié)構(gòu)有效增加了內(nèi)量子效率，減少了droop效應(yīng)。

2017年曾思明等[21]研究了p-AlGaN/InGaN超晶格結(jié)構(gòu)的EBL，如圖6所示。研究表明組分漸變超晶格EBL結(jié)構(gòu)，在200 mA注入電流下，光輸出功率和內(nèi)量子效率比傳統(tǒng)p-AlGaN EBL提高了52.8%和53.8%。此結(jié)構(gòu)電子勢(shì)壘從最后一個(gè)量子壘逐漸上升到p-GaN，成功抑制了一部分電子泄漏。

綜上，漸變Al組分和超晶格結(jié)構(gòu)EBL都可以緩解有源區(qū)載流子分布的不平衡，抑制電子泄漏，增加有源區(qū)內(nèi)的輻射復(fù)合率，提高了IQE，減小droop效應(yīng)。其中超晶格結(jié)構(gòu)對(duì)IQE的提升更為明顯，但工藝更為復(fù)雜。

圖4 漸變Al組分EBL的LED結(jié)構(gòu)[19]

圖5 雙側(cè)階梯Al組分漸變EBL的LED結(jié)構(gòu)[20]

圖6 超晶格EBL結(jié)構(gòu)的LED[21]

2.3 納米柱器件結(jié)構(gòu)

有研究表明納米柱結(jié)構(gòu)是釋放量子阱層應(yīng)變、提升內(nèi)量子效率的有效方法[22]。納米柱結(jié)構(gòu)穿過了有源區(qū)使得有源區(qū)的表面體積增大，從而有效降低了量子阱內(nèi)部的部分應(yīng)力，因而降低了壓電電場(chǎng)，減少了量子限制斯塔克效應(yīng)，提升了IQE。

2016年黃華茂等[23]研究納米柱高度對(duì)內(nèi)量子效率的影響，結(jié)構(gòu)如圖7所示，發(fā)現(xiàn)納米柱刻蝕到n-GaN時(shí)才能有效的提高內(nèi)量子效率。這為后續(xù)研究奠定了工作基礎(chǔ)。同年，南京大學(xué)智婷等[24]采用紫外印壓技術(shù)制備出了納米柱陣列結(jié)構(gòu)LED，估算出InGaN/GaN多量子阱納米柱結(jié)構(gòu)可獲得70%的馳豫，量子阱內(nèi)部的應(yīng)力得以釋放，大大減弱了量子限制斯塔克效應(yīng)。2018年Al-Khanbashi等[25]優(yōu)化了納米柱參數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)納米柱直徑在1 000 nm，柱體之間的距離小于1 000 nm時(shí)，內(nèi)量子效率最高，能夠在熒光顯微鏡下觀察到高亮度的藍(lán)光。

納米柱結(jié)構(gòu)雖然可以釋放多量子區(qū)域的部分壓應(yīng)力，增加內(nèi)量子效率，但是在刻蝕納米柱的過程中，容易對(duì)多量子區(qū)域造成損傷，因此選擇小損傷的制備方式就顯得尤為重要。

圖7 納米柱結(jié)構(gòu)的LED[23]

3 提升LED外量子效率的研究

GaN LED的內(nèi)量子效率已經(jīng)達(dá)到80%以上[26]，外量子效率仍較低，為獲得 GaN基LED的高EQE，必須提高光提取效率，其仍有較大的提升空間。研究者們提出電流阻擋層技術(shù)、表面粗化技術(shù)、光子晶體技術(shù)等來優(yōu)化提高LED的光提取效率。

3.1 電流阻擋層技術(shù)

電流阻擋層(current blocking layer, CBL)是P電極正下方，透明導(dǎo)電層與p-GaN之間形成的一層絕緣介質(zhì)。它能夠阻擋電流向P電極正下方流動(dòng)，減小正下方有源區(qū)的電流密度，從而減小P電極吸收、反射有源區(qū)產(chǎn)生的光子進(jìn)而減少光損失。另一方面電流阻擋層緩解了P電極周圍電流擁擠效應(yīng)，提高了光提取效率。

CBL的形狀對(duì)LED的光提取效率有不可忽略的影響。2013年曹偉偉等[27]對(duì)CBL的形狀展開了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流阻擋層與P電極形狀相同時(shí)器件的輸出光功率和光電轉(zhuǎn)換效率最高。

制備CBL常用的方法是生長(zhǎng)或沉積SiO2絕緣介質(zhì)。由于SiO2CBL幾乎是透明的，從有源區(qū)發(fā)出的光子通過透明SiO2CBL，會(huì)被P電極吸收，造成光損失。為較少光損失，2015年P(guān)ark[28]等在常規(guī)的SiO2CBL中嵌入了Ag粒子。在20 mA的注入電流下，與SiO2CBL的LED相對(duì)比，電壓降低0.15 V，與無CBL結(jié)構(gòu)和有SiO2CBL的LED相比，光輸出功率分別增加了11.9%，7.0%。嵌入Ag粒子可使電壓有輕微下降，同時(shí)使原本被P電極吸收的光發(fā)生了散射，提高了光提取效率。2017年P(guān)ark等[29]又進(jìn)一步研究抑制P電極吸收光子的方法，采用納米印壓技術(shù)圖形化SiO2CBL，如圖8所示。發(fā)現(xiàn)其電特性與普通SiO2CBL無差異，但是光提取效率分別比無CBL、常規(guī)SiO2CBL的LED提高了39.6%、11.9%，常規(guī)制備SiO2CBL不能產(chǎn)生平面絕緣層。2016年Kim等[30]提出通過氮注入形成絕緣層作為CBL的方法。結(jié)果表明其內(nèi)量子效率與無CBL幾乎相同，外量子效率提高了20%。

3.2 表面粗化技術(shù)

從LED有源區(qū)產(chǎn)生的光逸出到自由空間的過程中，由于折射率的不同，入射角超過臨界角的光會(huì)發(fā)生全反射，一般LED結(jié)構(gòu)的全反射臨界角約為23°，有源區(qū)產(chǎn)生的光大約只有4%能從表面逸出[31]。表面粗化是減少因全反射造成光損失的一種有效手段。通過改變LED表面的粗糙度，破壞全反射的限制，使原本在臨界角外的光在粗糙表面處發(fā)生多次散射進(jìn)入臨界角內(nèi)，逸出體外，提高光提取效率。

一方面，可以通過粗化透明導(dǎo)電層來增加光提取效率。2016年Chen等[32]采用聚苯乙烯納米球和干法刻蝕工藝制備了GaN基LED具有納米盤圖案化的ITO透明導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)如圖9所示。在20 mA電流下，光輸出強(qiáng)度最大增加了108%，但是其在刻蝕過程中易對(duì)p-GaN產(chǎn)生損傷。為防止在刻蝕ITO圖形化的過程中對(duì)P-GaN產(chǎn)生損傷，2018年Kim等[33]采用印壓光刻技術(shù)制備了六角錐型的ITO膜層，其漫射透過率卻從0.74%增加到了34.8%，光輸出功率增加8%，但是印壓光刻技術(shù)的成本相對(duì)較高。

另一方面，粗化鈍化層一樣也可以起到增加光提取效率的目的。2014年Xu等[34]用Ag納米粒子掩膜和干法刻蝕粗化鈍化層SiNx。在20 mA下，粗化SiNx的LED光輸出功率提升77.6%。2017年Liu等[35]采用超聲噴霧熱解沉積法，在GaN基紫外光LED的表面和側(cè)壁上生長(zhǎng)MgO納米線陣列。采用MgO納米陣列的LED具有較高的正向電壓和串聯(lián)電阻，但是光輸出功率比SiO2鈍化層的LED提高了14.1%,外量子效率提高了12%。其制備工藝較為簡(jiǎn)單，不需維持真空環(huán)境，也不需高氣壓的過程，有利于大規(guī)模的生產(chǎn)。

圖9 圓盤型ITO的 LED結(jié)構(gòu)圖[32]

3.3 光子晶體技術(shù)

光子晶體是一種結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)周期性變化的光學(xué)微結(jié)構(gòu)。將光子晶體引入LED中調(diào)制光子的傳播方向和角度，也可達(dá)到增強(qiáng)光提取效率的目的。

2015年Ding等[36]通過時(shí)域有限差分法在倒裝LED中嵌入雙層光子晶體，一層嵌入P-GaN中，另一層嵌入N-GaN中，優(yōu)化參數(shù)后，光提取效率提高約80%。模擬的雙層光子晶體結(jié)構(gòu)顯著提高了LED的光提取效率，為后續(xù)制備光子晶體結(jié)構(gòu)LED提供了新的方式。同年，于治國等[37]利用陽極氧化鋁掩膜和干法刻蝕工藝制備了納米孔光子晶體。在20 mA的驅(qū)動(dòng)電流下，當(dāng)光子晶體刻蝕到P-GaN時(shí)，光輸出功率最高，刻蝕到有源區(qū)時(shí)光提取效率最佳，但是刻蝕深入到有源區(qū)后，會(huì)對(duì)有源區(qū)的晶體質(zhì)量造成損傷，降低內(nèi)量子效率。同時(shí)，制備納米孔結(jié)構(gòu)后ITO的電流擴(kuò)展能力下降，導(dǎo)致方塊電阻增加。

2018年Liu等[38]也采用時(shí)域有限差分法模擬了SiO2光子晶體，將SiO2填充進(jìn)ITO陣列中結(jié)構(gòu)如圖10所示，優(yōu)化參數(shù)后，其比傳統(tǒng)平面LED增強(qiáng)了37%以上。2018年Hu等[39]通過紫外納米印壓技術(shù)制備表面二氧化硅光子晶體，具有SiO2光子晶體的紫外、藍(lán)光、綠光LED的光輸出功率分別增加了27.7%、14.6%、40.5%，紫外和綠光的光提取效率增強(qiáng)了22%、13%，但是藍(lán)光的光提取效率卻下降了8%，此結(jié)構(gòu)可用于提高紫外和綠光LED的光提取效率。

圖10 SiO2填充ITO陣列的光子晶體[38]

4 GaN基LED能效的提升進(jìn)程

GaN基LED到目前為止已有近50年的發(fā)展歷史。1971年P(guān)ankove等[40]研制出金屬-絕緣體-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的GaN藍(lán)光二極管，這是全球最先產(chǎn)生的藍(lán)光，但是EQE僅有0.03%～0.1%。1989年，Amano等[41]成功克服了P型摻雜的問題，研制出了Mg摻雜的p-GaN,成功制備了世界上第一支GaN基PN結(jié)LED。1993年中村修二等[42]研發(fā)出了InGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)藍(lán)光LED，EQE達(dá)0.22%，光輸出功率是同質(zhì)結(jié)的3倍。1994年Nichia公司向市場(chǎng)推出了第一支藍(lán)光LED商品。1995年中村修二等[43]又設(shè)計(jì)了InGaN/GaN單量子阱結(jié)構(gòu)的藍(lán)光LED，在20 mA的電流注入下，最大輸出功率可達(dá)到4.8 mW，EQE高達(dá)8.7%。同年，中村修二等[44]在單量子阱藍(lán)光LED的基礎(chǔ)上，通過改變In組分獲得了單量子阱結(jié)構(gòu)的GaN基綠光LED器件，其發(fā)光強(qiáng)度為12 cd，是傳統(tǒng)綠光GaP基LED的100倍，在20 mA的電流下，外量子效率為6.3%。2004年Cree公司宣稱在20 mA電流下，其藍(lán)光LED的光輸出功率達(dá)19 mW。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，白光LED就成為備受矚目的綠色光源，開始飛速發(fā)展，在照明領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。2004年Cree公司宣稱其實(shí)驗(yàn)室樣品LED在20 mA電流下發(fā)光效率為74 lm/W[50]。2006年Nichia宣布白光LED的發(fā)光效率突破100 lm/W[51]。2007年Cree公司稱冷白光LED的發(fā)光效率達(dá)到129 lm/W[52]。2012年Cree研發(fā)出新型LED，該LED在350 mA下發(fā)光效率高達(dá)254 lm/W[53]。2014年，該公司又宣布白光功率型LED在350 mA下實(shí)驗(yàn)室光效高達(dá)303 lm/W[54]，是目前國際報(bào)道的最高光效產(chǎn)品。2016年我國功率型白光LED產(chǎn)業(yè)化光效已達(dá)160 lm/W[55]。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示：2018年我國產(chǎn)業(yè)化高功率白光LED光效水平達(dá)到180 lm/W，2019年我國產(chǎn)業(yè)化功率型白光LED光效超過200 lm/W，與國際水平持平，室內(nèi)燈具光效超過100 lm/W，室外燈具光效超過130 lm/W[56]。

5 結(jié)論與展望

GaN基LED具有能耗低、響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)、可靠性高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于指示燈、顯示器、一般照明等領(lǐng)域。隨著GaN基LED的不斷發(fā)展，高能效成為了其追求的目標(biāo)之一。GaN基LED光源能效受驅(qū)動(dòng)裝置、封裝的LED、熱效應(yīng)與固定和光學(xué)系統(tǒng)的影響。隨著研究的不斷深入，LED的內(nèi)量子效率和外量子效率有了較大的提升。這主要?dú)w功于LED外延和芯片技術(shù)的提高，圖形化襯底、電子阻擋層和納米柱結(jié)構(gòu)等技術(shù)能有效提升內(nèi)量子效率；電流阻擋層、表面粗化和光子晶體等技術(shù)能有效提升外量子效率。目前LED的能效已經(jīng)達(dá)到40%～80%，隨著科技的進(jìn)步和研究的不斷突破，GaN基LED的能效有望得到進(jìn)一步的提高，這將加快LED替代傳統(tǒng)光源的進(jìn)程，為節(jié)能環(huán)保做出巨大貢獻(xiàn)。