会议现场
2015年11月3日下午，第十二届中国国际半导体照明论坛（SSLCHINA2015）之“材料与装备技术”分会在深圳会展中心五层举行。会上，南洋理工大学研究员张紫辉介绍了增加III-V族氮化物半导体发光二极管载流子注入效率的新途径，介绍了影响LED器件效率的主要因素，总结提升LED器件载流子注入效率的各种方法及代表性文章，并提出了自己的器件结构和全新的物理思想。
南洋理工大学研究员 张紫辉
一般增加空穴注入途径总结来说，有三种，即在p-型电子阻挡层上，多量子阱区，材料本身做文章。如超晶格型p-电子阻挡层，InGaN量子垒和通过V-defect增加空穴注入效率。
在增加电子注入方面，概括地说也有三种，即在p-型电子阻挡层上，多量子阱区，材料本身做文章。如InAlN电子阻挡层，AlGaN或者InAlGa量子垒覆盖层和生长氮面的量子阱结构。
张紫辉表示，在增加空穴注入效率方面，其研究团队提出了自己的器件结构和物理原理。第一个是通过次价带调控空穴注入。在p-AlGaN电子阻挡层中生长薄层GaN,从而在薄层GaN中产生次价带，这可以有效的降低空穴的势垒高度。同时GaN的位置很重要，我们建议GaN薄层的位置尽量靠近p-GaN侧，因为这样子可以提升空穴的隧穿作用，从而增加空穴的局域浓度，进一步降低空穴的势垒高度。我们做了计算，发现计算出来的结果和我们预期的非常一致。通过实验测量发现，通过加入薄层GaN层，器件的量子效率可以得到显著提升，同时如果薄层GaN如果更靠近p-GaN一侧，器件的效率还有进一步提升的空间。实验测量跟我们预测的一致。
研究团队还提出了空穴加速器，即在p-GaN层嵌入薄层p-AlGaN，这就产生了极化电场，空穴从极化电场那里获取能量，从而空穴通过p-AlGaN电子阻挡层的几率增加。理论计算发现，空穴加速器增加了量子阱中空穴浓度，同时改善了器件的量子效率和减小了efficiency droop效应。理论计算和实验结果跟前期的预测达到了高度的吻合。
此外，在增加空穴注入效率方面研究团队也提出了空穴调节器。增加空穴注入效率的途径之一是增加空穴的浓度。空穴调节器的比较简单，即Mg掺杂最后一个量子垒提供空穴，内建电场将空穴耗尽至p-GaN中，从而增加了p-GaN的掺杂效率。
“我们还提出了极化冷却的概念。极化冷却的概念很简单，就是生长一层N-型AlGaN作为电子阻挡层。”
张紫辉表示，N-AlGaN内部有极化场，研究团队计算出了N-AlGaN内部的极化场，同时作为比较，同一位置GaN中的极化场我们也作了计算。对极化电场做个积分，得出电子在n-AlGaN中减小了106meV的能量，多于63meV，如此，量子阱捕获到电子的几率增加了，以刚才为列子，捕获率可能是50%，那么捕获的电子数目是40个，当然有助于效率提升，同时降低电子损失率。
如何实现极化自屏蔽p-AlGaN? “可以通过线性降低AlGaN中Al的组分来实现，这样的话，该层中会产生具有负电特性的极化体电荷，可以屏蔽具有正电性的极化面电荷，从而电子局域浓度降低。载流子局域浓度越低，载流子漏率越小。计算发现极化自屏蔽p-AlGaN电子阻挡层的确降低了电子局域浓度，这有助于减小电子的漏率，改善器件的效率。
