淺談LED外延生長的量子限制斯塔克效應(yīng)

郝長虹

【摘要】氮化物體系LED由于存在大的極化效應(yīng)，量子限制斯塔克效應(yīng)顯著，即量子阱的能帶發(fā)生傾斜，電子和空穴在空間分離，輻射復(fù)合效率下降。通過引入新型外延結(jié)構(gòu)，可以降低極化電場的影響，從而提高內(nèi)量子效率。本文采用階梯型量子阱的新結(jié)構(gòu)設(shè)計削弱量子限制斯塔克效應(yīng)，提高電子和空穴的有效輻射復(fù)合幾率。

【關(guān)鍵詞】LED；外延結(jié)構(gòu)；量子阱；量子限制斯塔克效應(yīng)

1、引言

半導(dǎo)體照明技術(shù)是繼白熾燈、熒光燈之后，照明光源的又一次革命。半導(dǎo)體照明技術(shù)發(fā)展迅速、應(yīng)用領(lǐng)域廣、節(jié)能潛力大、綠色環(huán)保，被公認為是最有發(fā)展前景的高技術(shù)節(jié)能產(chǎn)業(yè)之一，而半導(dǎo)體照明的核心就是LED芯片。

普通白熾燈的光效為15 lm/W，而目前照明用LED燈的光效已可達到120 lm/W以上，約5瓦的LED燈就可以代替40瓦的白熾燈。LED代替?zhèn)鹘y(tǒng)照明已表現(xiàn)出明顯的節(jié)能優(yōu)勢，持續(xù)提高LED燈的發(fā)光效率，即在額定驅(qū)動電流時減小電壓和提高發(fā)光亮度，能更有效的降低能源消耗。提高LED的發(fā)光效率一個方法就是優(yōu)化外延結(jié)構(gòu)的設(shè)計，提高載流子的發(fā)光復(fù)合效率。

2、量子限制斯塔克效應(yīng)

由于勢壘的限制作用，量子阱中的二維激子即使在較高的縱向電場作用下仍不發(fā)生分離，可以觀察到激子吸收邊的紅移，這一現(xiàn)象甚至在室溫下也能觀察到，這種效應(yīng)被稱為量子限制斯塔克效應(yīng)（Quantum-confined Stark effect）。利用極性材料生長的量子阱結(jié)構(gòu)中，由于極化效應(yīng)嚴重，異質(zhì)結(jié)界面處會產(chǎn)生極化電荷，形成極化電場；在電場的作用下，量子阱中電子和空穴的波函數(shù)的空間分布和交疊狀況發(fā)生改變，使能帶發(fā)生彎曲，導(dǎo)致電子和空穴發(fā)生空間分離，復(fù)合幾率減小。故量子限制斯塔克效應(yīng)對發(fā)光器件非常不利。

3、普通量子阱和階梯量子阱的區(qū)別分析

GaN基LED芯片的制作方法通常為：采用MOCVD（金屬有機化合物氣相沉積）在襯底上外延生長一層GaN緩沖層；然后再生長非摻雜的GaN，目的是提高后續(xù)外延晶體的質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上再依次生長N型GaN、有源層和P型GaN形成LED外延片。在有源層具有一組或多組量子阱層，通過將量子阱設(shè)計成階梯量子阱生長、改變電子和空穴波函數(shù)的重合度，從而達到提高亮度的目的。

如圖1所示，左圖是普通的LED外延結(jié)構(gòu)設(shè)計中的量子阱結(jié)構(gòu)的能帶圖，右圖是新型的LED外延結(jié)構(gòu)設(shè)計，即階梯型量子阱結(jié)構(gòu)的能帶圖。Ψe和Ψhh分別是電子和空穴的空間波函數(shù)，即分別代表電子和空穴在量子阱中的分布幾率（峰值處代表分布幾率最大的位置）。由于極化效應(yīng)，量子阱的能帶發(fā)生傾斜，Ψe和Ψhh的峰位相距較遠，即電子和空穴在空間分離較明顯，從而導(dǎo)致輻射復(fù)合效率下降，影響LED的發(fā)光。設(shè)計成階梯阱后，Ψe和Ψhh的峰位靠近，即電子和空穴在空間分離減小，有利于電子和空穴的輻射復(fù)合，從而LED的發(fā)光增強。階梯量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵是量子阱能帶差（即臺階高低）的優(yōu)化。外延生長是通過精確控制量子阱分段生長，從生長溫度和InGaN量子阱的In源的流量兩個方面控制量子阱能帶差，經(jīng)過優(yōu)化的階梯阱結(jié)構(gòu)可以有效提升LED的亮度。

4、結(jié)語

綜上所述，通過在外延生長中設(shè)計階梯量子阱結(jié)構(gòu)，能夠顯著削弱量子斯塔克效應(yīng)，電子和空穴在空間的分離減小，有利于電子和空穴的輻射復(fù)合，進而優(yōu)化能帶差而有效提高LED的亮度。

參考文獻

[1]徐枝新，王明華，江曉清，周強，楊愛齡.量子斯塔克效應(yīng)及其在光開關(guān)中的應(yīng)用[J].浙江科技學(xué)院學(xué)報，2004（4）.

[2]苗振林，張宇，牛鳳娟.一種LED外延片生長方法[P].中國： 201210563126.0， 2013年5月15日.

[3]王霄，季輝，徐迪，梁智勇.LED外延片、其制作方法及包含其的LED芯片[P].中國： 201310441802.1， 2013年12月25日.