廣東中民工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新研究院有限公司常務(wù)副院長閆春輝博士

 

LED的Droop效應(yīng)是指向芯片輸入較大電力時LED的光效反而會降低的現(xiàn)象。Droop效應(yīng)決定了單個LED所能工作的最大電流，因而要實現(xiàn)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(dǎo)致高功率LED器件的成本大幅增加。在LED業(yè)界和學(xué)術(shù)界，Droop效應(yīng)一直是大家爭相研究和攻克的技術(shù)難題。

 

期間，“SSLCHINA 2021：半導(dǎo)體照明芯片、封裝、模組及可靠性”分論壇由廣東中民工業(yè)技術(shù)創(chuàng)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(lián)合協(xié)辦支持。會上，廣東中民工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新研究院有限公司常務(wù)副院長閆春輝博士現(xiàn)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(yīng)”最新研究成果報告。

 

為了進一步降低固態(tài)照明的流明成本，即維持Haitz定律，最有效的技術(shù)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(tǒng)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(fù)合，以提高工作電流和高注入水平的 WPE。

 

氮化物 LED 最關(guān)鍵的問題之一是Droop效應(yīng)，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(zhuǎn)化為熱量。影響Droop效應(yīng)的因素比較復(fù)雜，一般可分為非熱Droop和熱Droop兩大類。非熱衰減本質(zhì)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(fù)合和空穴注入不足。熱衰減與高電流下的結(jié)溫升高有關(guān)，因為輻射復(fù)合率、Shockley-Read-Hall 復(fù)合率和熱離子載流子逃逸率隨溫度變化。發(fā)射波長的紅移通常被認為是熱效應(yīng)的特征，因為 InGaN/GaN  MQWs 的帶隙在高結(jié)溫下隨著晶格常數(shù)相應(yīng)擴大而減小。

 

在本報告中，從電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)特性方面系統(tǒng)地研究了具有不同電流擴展設(shè)計的器件的下垂效應(yīng)。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(shù)量連續(xù)調(diào)節(jié)。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(yīng)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(yīng)，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(yīng)被發(fā)現(xiàn)具有更大的優(yōu)勢，因為 UVA 器件本身在 EQE 峰值附近具有非常平坦的Droop效應(yīng)特征，但在高注入時具有不良的熱Droop效應(yīng)，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(yīng)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%。