含有量子點(diǎn)的雙波長(zhǎng)LED的光譜調(diào)控*

張盼君 孫慧卿 郭志友 王度陽(yáng) 謝曉宇 蔡金鑫 鄭 歡 謝 楠 楊 斌

(廣東省微納光子功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華南師范大學(xué)，光電子材料與技術(shù)研究所，廣州 510631)

(2012年12月11日收到;2013年1月30日收到修改稿)

1 引言

近年來(lái)，發(fā)光二極管(LED)以其產(chǎn)品體積小、壽命長(zhǎng)、效率高、抗震耐沖擊、光響應(yīng)速度快等諸多特點(diǎn)，進(jìn)入了多種應(yīng)用領(lǐng)域，隨著材料生長(zhǎng)技術(shù)和器件制備技術(shù)的突破性發(fā)展，LED獲得了人們前所未有的關(guān)注，其研究應(yīng)用得到了快速地發(fā)展[1].GaN基LED備受人們的重視，因?yàn)镚aN系材料禁帶寬度大，并且是直接帶隙半導(dǎo)體，通過(guò)生長(zhǎng)不同In組分的InGaN，其禁帶寬度可以覆蓋全部可見(jiàn)光在內(nèi)從近紫外(365 nm)到紅外(1770 nm)的寬廣波段.

傳統(tǒng)白光LED的發(fā)光機(jī)理主要有三種：藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉，紫外光激發(fā)混合熒光粉，以及紅綠藍(lán)三色混合LED.熒光粉轉(zhuǎn)換效率低，穩(wěn)定性差，長(zhǎng)時(shí)間工作將發(fā)生老化導(dǎo)致光衰等問(wèn)題，而三基色混合LED生產(chǎn)成本又比較昂貴[2].隨著科研人員對(duì)LED發(fā)光機(jī)理和提升其性能的探索，人們開(kāi)始關(guān)注無(wú)熒光粉多波長(zhǎng)單芯片的白光LED研制.

Qi等[3]通過(guò)調(diào)節(jié)有源區(qū)內(nèi)不同阱層In含量、藍(lán)色和綠色量子阱個(gè)數(shù)及量子阱生長(zhǎng)順序，實(shí)現(xiàn)了雙波長(zhǎng)LED發(fā)光.顧等[4]通過(guò)同時(shí)調(diào)節(jié)同一有源區(qū)內(nèi)不同阱層和壘層的In組分，制備了GaN基單有源區(qū)藍(lán)、綠光雙波長(zhǎng)LED，實(shí)現(xiàn)了20 mA下藍(lán)、綠光同時(shí)發(fā)射.但藍(lán)綠雙波長(zhǎng)LED光譜范圍較窄，顯色指數(shù)低，而高In組分量子阱的生長(zhǎng)會(huì)加劇LED外延層的晶格失配，在阱內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)的極化電場(chǎng)，使得電子和空穴的波函數(shù)重疊變小，減小了符合率和發(fā)光強(qiáng)度.Fuhrmann等[5]對(duì)高In組分量子阱的生長(zhǎng)進(jìn)行了深入研究，生長(zhǎng)了多種單波長(zhǎng)量子阱，并得到了較高的內(nèi)量子效率.Huang等[6]通過(guò)預(yù)應(yīng)變生長(zhǎng)獲得了高效率發(fā)射黃光的量子阱，并通過(guò)增加一個(gè)藍(lán)光量子阱實(shí)現(xiàn)了藍(lán)黃雙波長(zhǎng)白光LED.Soh等[7]通過(guò)在黃光量子阱里生長(zhǎng)高In含量的量子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了寬光譜的藍(lán)黃雙波長(zhǎng)白光LED.

目前量子點(diǎn)的主要生長(zhǎng)方式有自組裝模式(SK)[8]和選擇性區(qū)域生長(zhǎng)模式(SAG)[9]兩種，Zhao等[10]對(duì)量子點(diǎn)的生長(zhǎng)方式進(jìn)行了深入的理論分析.Zhang等[11]成功生長(zhǎng)了含高濃度量子點(diǎn)的綠光量子阱.量子點(diǎn)的生長(zhǎng)不僅拓寬了LED的輻射光譜，使得量子阱可以發(fā)出更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光，提高了雙波長(zhǎng)LED的顯色指數(shù)，而且可以釋放量子阱內(nèi)的晶格失配帶來(lái)的應(yīng)力，使得含有量子點(diǎn)的量子阱內(nèi)極化效應(yīng)降低，增大了電子和空穴的波函數(shù)空間交疊積分，緩解應(yīng)力帶來(lái)的影響，減小了droop效應(yīng)，同時(shí)，減小了量子點(diǎn)處載流子的壽命，增加了載流子符合率[11].生長(zhǎng)含高In組分量子點(diǎn)的雙波長(zhǎng)LED，成為實(shí)現(xiàn)無(wú)熒光粉白光LED很有前景的一個(gè)課題.

張等[12-14]對(duì)GaN基雙波長(zhǎng)LED的光電性質(zhì)進(jìn)行了一系列模擬實(shí)驗(yàn)和理論分析，王等[15]、Xia等[16]和李等[17]對(duì)量子點(diǎn)模型進(jìn)行了模擬分析.能夠影響雙波長(zhǎng)LED輻射光譜的因素有很多，但目前對(duì)含有量子點(diǎn)的雙波長(zhǎng)LED輻射光譜的研究卻很少.本文將對(duì)含高In組分量子點(diǎn)的雙波長(zhǎng)LED的發(fā)光機(jī)理進(jìn)行軟件模擬研究，通過(guò)改變量子點(diǎn)濃度、間隔層摻雜濃度及間隔層厚度，討論對(duì)含高In組分量子點(diǎn)的雙波長(zhǎng)LED輻射光譜的調(diào)控作用，最后分析電流對(duì)器件輻射光譜的影響，為雙波長(zhǎng)LED的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

2 理論模型與器件結(jié)構(gòu)

2.1 器件模擬的基本方程

APSYS(advanced physicalmodels of semiconductor devices)[18]——模擬軟件是利用二維有限元分析方法，以飄移-擴(kuò)散模型和電流連續(xù)性方程為基礎(chǔ)，結(jié)合邊界條件自洽解泊松方程得到LED的電學(xué)和光學(xué)特性.

為了簡(jiǎn)化能級(jí)計(jì)算，在處理含應(yīng)力的InGaN量子阱導(dǎo)帶和價(jià)帶能級(jí)時(shí)，在能帶結(jié)構(gòu)求解上忽略了導(dǎo)帶和價(jià)帶能級(jí)之間的耦合作用，采用拋物帶模型和有效質(zhì)量近似模型，氮化物元件各界面之間考慮了內(nèi)建極化效應(yīng).

APSYS模擬程序結(jié)合有限元方法在空間離散泊松方程、電流連續(xù)性方程、載流子運(yùn)輸方程和量子機(jī)理的波方程等，形成非線性方程組，然后用牛頓迭代法求解非線性方程組，從而得到LED器件的電學(xué)與光學(xué)特性.此軟件具有數(shù)值穩(wěn)定和計(jì)算速度快的特點(diǎn).

2.2 器件結(jié)構(gòu)

本文對(duì)含有量子點(diǎn)的InGaN量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管進(jìn)行了研究，器件面積為300μm×300μm，工作環(huán)境為300 K，器件結(jié)構(gòu)如表1所示，從下到上依次為2.5μm的n-GaN(摻雜濃度5×1018cm-3);0.1μm的n-GaN(摻雜濃度1×1018cm-3);活性層Ⅰ;間隔層;活性層Ⅱ;0.18μm的p-AlGaN(摻雜濃度0.3×1018cm-3)電子阻擋層;15 nm的p-GaN(摻雜濃度1×1018cm-3).每個(gè)活性層由三個(gè)量子阱和四個(gè)勢(shì)壘組成，活性層Ⅰ阱中的潤(rùn)濕層材料是厚度為4.5 nm的In0.3Ga0.7N，潤(rùn)濕層中生長(zhǎng)In組分為0.45的量子點(diǎn)，壘層材料是厚度為9 nm的GaN;活性層Ⅱ的阱層材料是厚度為4 nm的In0.2Ga0.8N，壘層材料是厚度為10 nm的GaN.

表1 器件結(jié)構(gòu)

本文將活性層Ⅰ和活性層Ⅱ的阱層材料分別設(shè)為In0.3Ga0.7N和In0.2Ga0.8N主要考慮了兩方面因素.第一，工藝上n型摻雜比p型摻雜更易于實(shí)現(xiàn).In組分高的材料對(duì)載流子具有更強(qiáng)的限制能力，因此高In阱層設(shè)置在靠近n端，對(duì)電子具有更強(qiáng)的束縛能力，為了進(jìn)行光譜調(diào)控間隔層將進(jìn)行n型摻雜，而不是工藝上更難實(shí)現(xiàn)的p型摻雜[13].第二，高In組分材料會(huì)吸收In0.2組分量子阱產(chǎn)生的藍(lán)光，發(fā)生光抽運(yùn)效應(yīng)，降低藍(lán)光的出光率，甚至使藍(lán)光在大電流下光譜峰值更快達(dá)到飽和[3]，將In0.2組分的量子阱設(shè)置在靠近上層的出光端，可以降低光抽運(yùn)效應(yīng)，使器件的藍(lán)光在大電流下具有更高的光譜發(fā)光峰值.另外，由于篇幅限制，本文只討論In組分為0.45時(shí)的情況。

3 結(jié)果與討論

3.1 量子點(diǎn)濃度變化

本文首先計(jì)算電流為60 mA，間隔層厚度為13 nm，間隔層 n型摻雜濃度為 0.8×1018cm-3時(shí)，活性層Ⅰ無(wú)量子點(diǎn)和量子點(diǎn)分布密度分別為 0.5×1011cm-2，1×1011cm-2，2×1011cm-2，4×1011cm-2，8×1011cm-2的自發(fā)輻射譜，其結(jié)果如圖1所示.

從圖1可以看出，活性層Ⅰ量子點(diǎn)濃度的變化對(duì)活性層Ⅱ的光譜波長(zhǎng)并無(wú)明顯影響，但隨著量子點(diǎn)濃度的增大，活性層Ⅱ的光譜峰值有所減小，活性層Ⅱ發(fā)出的藍(lán)光和活性層Ⅰ發(fā)出的黃綠光的發(fā)光峰值強(qiáng)度之比逐漸減小.InGaN量子阱在其生長(zhǎng)方向上具有量子限制效應(yīng)，而InGaN量子點(diǎn)在三維方向上都存在納米尺度，在三維方向上都受到量子限制，因此，量子點(diǎn)對(duì)載流子在三維方向都會(huì)有很強(qiáng)的束縛能力，抑制載流子向非輻射復(fù)合中心遷移.量子點(diǎn)的引入還會(huì)引起能帶的進(jìn)一步傾斜，使載流子更容易擴(kuò)散.藍(lán)光發(fā)光峰值的減小正是因?yàn)榱孔狱c(diǎn)的引入使得活性層Ⅰ對(duì)載流子的束縛能力加強(qiáng)，電子需要克服一個(gè)附加的勢(shì)壘才能擴(kuò)散到上端的活性層Ⅱ中;同時(shí)，由于能帶的傾斜有效質(zhì)量大的空穴更容易擴(kuò)散到活性層Ⅰ中，使更多的載流子在活性層Ⅰ中復(fù)合，減小了藍(lán)光量子阱的復(fù)合率，各個(gè)量子阱在不同量子點(diǎn)濃度時(shí)的復(fù)合速率如圖2所示.由于活性層Ⅰ在靠近n型層一端，所以量子點(diǎn)對(duì)載流子的束縛主要地表現(xiàn)為對(duì)電子的束縛，這為下文3.2節(jié)中間隔層n型摻雜濃度的變化調(diào)控輻射光譜提供了依據(jù).

圖1 無(wú)量子點(diǎn)及不同量子點(diǎn)分布密度(分布密度分別為 0.5×1011cm-2，1×1011cm-2，2×1011cm-2，4×1011cm-2，8×1011cm-2)的輻射光譜

從圖2可以看出，當(dāng)活性層Ⅰ中的量子點(diǎn)分布密度為8×1011cm-2時(shí)，In0.3Ga0.7N阱對(duì)應(yīng)的載流子復(fù)合率幾乎都提高了一倍以上，活性層Ⅰ的發(fā)光量顯著提升;而In0.2Ga0.8N阱對(duì)應(yīng)的載流子復(fù)合率都大幅下降，但活性層Ⅱ中的三個(gè)阱下降的幅度有所不同.靠近p端的In0.2Ga0.8N量子阱復(fù)合率下降幅度比較小，這是因?yàn)殡娮幼钃鯇拥拇嬖谑沟每拷黳端的量子阱中的電子濃度高于另外兩個(gè)In0.2Ga0.8N量子阱，并且p端是空穴源，可以提供充足的空穴載流子.靠近n端的In0.2Ga0.8N量子阱載流子復(fù)合率下降幅度最大，這是因?yàn)樵跓o(wú)量子點(diǎn)時(shí)，載流子主要集中在活性層Ⅱ中，間隔層的存在起到了對(duì)空穴擴(kuò)散的阻擋作用，使得靠近n端的In0.2Ga0.8N量子阱空穴濃度高于另外兩個(gè)阱，使其對(duì)載流子的復(fù)合更有優(yōu)勢(shì);而當(dāng)摻雜量子點(diǎn)之后，載流子開(kāi)始向活性層Ⅰ集中，電子濃度的下降使得靠近n端的In0.2Ga0.8N量子阱的復(fù)合率大幅度地減小了.

間隔層的存在對(duì)空穴擴(kuò)散具有強(qiáng)烈的限制作用，影響到載流子在不同區(qū)域的濃度，從而影響到LED輻射光譜中藍(lán)光與黃綠光的比例，這將在3.2節(jié)繼續(xù)對(duì)比討論.

圖2 無(wú)量子點(diǎn)和量子點(diǎn)分布密度為8×1011cm-2時(shí)的復(fù)合速率

通過(guò)圖1還可以明顯地看出，隨著量子點(diǎn)濃度的增加，活性層Ⅰ中量子點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光譜峰值不斷增高，潤(rùn)濕層(即In0.3Ga0.7N)對(duì)應(yīng)的光譜發(fā)光峰不斷減小.這是由于量子點(diǎn)的引入降低了量子點(diǎn)處載流子的壽命[11]，載流子優(yōu)先在量子點(diǎn)處復(fù)合，相同電流下，量子點(diǎn)濃度越大，量子點(diǎn)發(fā)光占活性層Ⅰ的比重越大，潤(rùn)濕層對(duì)應(yīng)的光譜峰值占輻射光譜的比重越小.但隨著量子點(diǎn)濃度的增大，活性層Ⅰ整體對(duì)應(yīng)的光譜面積在不斷增大，由于能帶更加傾斜，活性層Ⅰ的光譜整體發(fā)生紅移;同時(shí)，量子阱內(nèi)的In含量逐步提高，晶場(chǎng)分裂勢(shì)和導(dǎo)帶之間的輻射復(fù)合增強(qiáng)，輻射光譜出現(xiàn)邊峰[16].電流大小對(duì)活性層Ⅰ的輻射光譜形狀也有很大的影響，將在3.3節(jié)中討論.

通過(guò)以上分析可以得出，增加量子點(diǎn)濃度有利于活性層Ⅰ中載流子的復(fù)合，增加黃綠光在LED光譜中的比例;隨著量子點(diǎn)濃度的增加，量子點(diǎn)與潤(rùn)濕層發(fā)光強(qiáng)度的比重同時(shí)增加.

3.2 間隔層變化

3.2.1 間隔層n型摻雜濃度變化

圖3示出電流為60 mA，間隔層厚度為13 nm，活性層Ⅰ量子點(diǎn)分布密度為2×1011cm-2時(shí)，間隔層不摻雜和間隔層n摻雜濃度分別為0.4×1018cm-3，0.6×1018cm-3，0.8×1018cm-3，1×1018cm-3，1.4×1018cm-3的自發(fā)輻射光譜.

從圖3可以明顯看出，間隔層n型摻雜濃度越大，活性層Ⅰ的發(fā)光越弱，活性層Ⅱ的發(fā)光越強(qiáng)烈，兩個(gè)發(fā)光峰成此消彼長(zhǎng)之勢(shì).當(dāng)間隔層不摻雜時(shí)，處于活性層Ⅰ的In0.3Ga0.7N量子阱由潤(rùn)濕層和量子點(diǎn)共同發(fā)出一個(gè)寬廣的黃綠色光譜，處于活性層Ⅱ的In0.2Ga0.8N量子阱幾乎不發(fā)光;當(dāng)間隔層n摻雜濃度為1.4×1018cm-3時(shí)，處于活性層Ⅰ的In0.3Ga0.7N量子阱幾乎不發(fā)光，量子點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光譜峰值也小到難以觀察，處于活性層Ⅱ的In0.2Ga0.8N量子阱發(fā)出類似單波長(zhǎng)藍(lán)光LED的光譜.如圖4所示，增加間隔層n摻雜的濃度，間隔層能帶向下彎曲成凹形，使LED的兩個(gè)活性層和p端的能帶下移，增加了能帶的傾斜程度.由圖4可以推出，隨著n摻雜濃度的加大，電子因勢(shì)壘高度變低更容易向p端擴(kuò)散，而空穴由于勢(shì)壘高度增大而更難向n端擴(kuò)散，載流子將逐步集中在活性層Ⅱ，從而導(dǎo)致活性層Ⅰ的復(fù)合率下降，活性層Ⅱ的復(fù)合率提升.圖5和圖6分別是間隔層不摻雜和間隔層n型摻雜濃度為1.4×1018cm-3時(shí)的載流子濃度分布圖，從圖中可以看出間隔層摻雜對(duì)載流子具有很強(qiáng)的調(diào)控作用，n型摻雜濃度越大，載流子將越集中于活性層Ⅱ，同時(shí)溢出空穴流將越小，溢出電子流越大.

圖3 間隔層不摻雜及間隔層不同摻雜濃度(n摻雜濃度分別為 0.4×1018cm-3，0.6×1018cm-3，0.8×1018cm-3，1×1018cm-3，1.4×1018cm-3)時(shí)的輻射光譜

從圖3中還可以看出，隨著間隔層n摻雜濃度的增大，活性層Ⅰ的輻射光譜逐漸變窄變矮，并且潤(rùn)濕層對(duì)應(yīng)的發(fā)光峰值強(qiáng)度減小幅度大于量子點(diǎn)對(duì)應(yīng)的減小幅度，活性層Ⅰ變得逐漸以量子點(diǎn)輻射為主.量子點(diǎn)對(duì)載流子具有比潤(rùn)濕層更強(qiáng)的束縛能力，從三維方向上約束載流子的遷移，而且載流子在量子點(diǎn)處的壽命更短，因此載流子優(yōu)先在量子點(diǎn)處復(fù)合.間隔層不摻雜時(shí)，活性層Ⅰ的載流子濃度比較充足，大量載流子可以在潤(rùn)濕層中復(fù)合，量子點(diǎn)處的復(fù)合趨近于飽和，活性層Ⅰ的輻射光譜以潤(rùn)濕層對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為主.隨著n摻雜濃度的提升，載流子越來(lái)越集中于活性層Ⅱ，活性層Ⅰ中的載流子逐漸減少，量子點(diǎn)對(duì)載流子的束縛能力得以體現(xiàn)，量子阱潤(rùn)濕層中的電子優(yōu)先擴(kuò)散到活性層Ⅱ中，量子點(diǎn)也優(yōu)先捕獲從活性層Ⅱ擴(kuò)散來(lái)的空穴，潤(rùn)濕層對(duì)應(yīng)的發(fā)光峰值強(qiáng)度比量子點(diǎn)對(duì)應(yīng)的發(fā)光峰值強(qiáng)度減小幅度更大.當(dāng)載流子濃度足夠低時(shí)量子點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)將占活性層Ⅰ輻射光譜的主要部分.

圖4 間隔層不摻雜和間隔層n型摻雜濃度為1.4×1018cm-3時(shí)的能帶圖

圖5 間隔層不摻雜時(shí)的載流子濃度分布圖

3.2.2 間隔層厚度變化

圖7示出電流為60 mA，間隔層n摻雜濃度分0.8×1018cm-3，活性層Ⅰ量子點(diǎn)分布密度為2×1011cm-2時(shí)，間隔層厚度分別為0 nm，6 nm，9 nm，12 nm，15 nm，18 nm，21 nm的自發(fā)輻射光譜.

圖6 間隔層n型摻雜濃度為1.4×1018cm-3時(shí)的載流子濃度分布圖

圖7 不同間隔層厚度(0 nm，6 nm，9 nm，12 nm，15 nm，18 nm，21 nm)時(shí)的輻射光譜

由圖7對(duì)比圖3可見(jiàn)，改變間隔層厚度與改變間隔層n摻雜濃度所得的LED輻射光譜形狀基本一致，說(shuō)明這兩種對(duì)光譜的調(diào)控方式具有類似的機(jī)理.圖8和圖9分別為不加間隔層(間隔層厚度為0)和間隔層厚度為21 nm時(shí)的載流子濃度分布圖.從圖8可以看出，雖然活性層Ⅱ更靠近p端，但其空穴濃度依然低于活性層Ⅰ，活性層Ⅱ中的電子濃度則遠(yuǎn)低于活性層Ⅰ，體現(xiàn)出活性層Ⅰ中窄禁帶寬度的In0.3Ga0.7N和量子點(diǎn)對(duì)載流子的強(qiáng)烈束縛能力.對(duì)應(yīng)于圖7中的紅色光譜線，無(wú)間隔層時(shí)活性層Ⅱ幾乎不發(fā)光，輻射光譜由活性層Ⅰ占據(jù).從圖9可以看出，當(dāng)間隔層厚度為21 nm時(shí)，間隔層的存在對(duì)空穴流起到了阻礙作用，使得活性層Ⅱ中空穴的濃度大于活性層Ⅰ，這樣可以使活性層Ⅰ中的電子在沒(méi)有足夠的空穴與之復(fù)合的情況下擴(kuò)散到活性層Ⅱ中，對(duì)載流子起到了調(diào)節(jié)作用.結(jié)合圖7的輻射光譜可以看出，在加入間隔層后，載流子在In0.2Ga0.8N組分所在量子阱中得到了充分的復(fù)合.同時(shí)，隨著間隔層的加厚，器件的溢出空穴流得到了抑制，但加大了溢出電子流的濃度.

圖7中活性層Ⅰ的輻射光譜與圖3具有相同的規(guī)律，其機(jī)理也是由間隔層厚度的變化引起了載流子濃度的改變，如上3.2.1所討論，載流子濃度對(duì)活性層Ⅰ的發(fā)光光譜具有重要的影響，此節(jié)不再重復(fù)敘述.

3.2.3 小結(jié)

由以上分析可以得出，載流子濃度對(duì)含有量子點(diǎn)的量子阱的輻射光譜有很大的影響，間隔層摻雜濃度的變化和間隔層厚度的變化可以很好地調(diào)控雙波長(zhǎng)LED兩個(gè)活性層中載流子的濃度，從而調(diào)控LED輻射光譜中兩個(gè)活性層的發(fā)光比例，載流子濃度低時(shí)以量子點(diǎn)復(fù)合為主，載流子濃度高時(shí)量子點(diǎn)復(fù)合達(dá)到飽和以潤(rùn)濕層復(fù)合為主.

圖8 無(wú)間隔層時(shí)的載流子濃度分布圖

圖9 間隔層厚度為21 nm時(shí)的載流子濃度分布圖

3.3 電流變化

電流是LED的一項(xiàng)重要參數(shù)，雙波長(zhǎng)LED的輻射光譜對(duì)電流的變化有很強(qiáng)的依賴性.圖10示出間隔層厚度為13 nm，間隔層n摻雜濃度分0.8×1018cm-3，活性層Ⅰ量子點(diǎn)分布密度為2×1011cm-2時(shí)，電流大小分別為20 mA，40 mA，60 mA，80 mA的自發(fā)輻射光譜.

圖10 不同電流時(shí)的輻射光譜

從圖10可以看出，隨著電流的增加，LED的輻射速率持續(xù)增長(zhǎng)，綠光比重越來(lái)越大，輻射光譜變得寬廣，藍(lán)光發(fā)光峰、綠光發(fā)光峰及量子點(diǎn)發(fā)出的黃光發(fā)光峰均出現(xiàn)了藍(lán)移現(xiàn)象.

電流越大器件中單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的載流子越多，載流子濃度變高，量子阱輻射速率自然得到提升，光譜發(fā)光峰值會(huì)隨著載流子濃度的增長(zhǎng)而增高，但增長(zhǎng)幅度會(huì)越來(lái)越小，因?yàn)殡娏髟龃蟮耐瑫r(shí)電子和空穴的漏電流也在增大，減小了器件的內(nèi)量子效率.量子效率的減小限制了電流的增加.

由于載流子濃度隨電流增大而增大，所以由3.2節(jié)的結(jié)論可知，載流子濃度越大，活性層Ⅰ中In0.3組分的潤(rùn)濕層所發(fā)的綠光比重會(huì)越大.如圖10所示，當(dāng)電流為100 mA時(shí)量子點(diǎn)對(duì)應(yīng)的峰值增長(zhǎng)速度逐漸達(dá)到飽和，而潤(rùn)濕層發(fā)出的綠光發(fā)光峰值仍在較快地增長(zhǎng)并占據(jù)活性層Ⅰ發(fā)光的主導(dǎo)地位.因此，大電流時(shí)量子點(diǎn)主要表現(xiàn)為對(duì)光譜發(fā)光峰的拓寬作用，若無(wú)量子點(diǎn)存在，與3.1節(jié)討論結(jié)果一致，綠光的光譜將只覆蓋波長(zhǎng)為540 nm附近如藍(lán)光一樣尖銳而窄小的波段.

如圖10所示，在電流增加的同時(shí)，光譜會(huì)變得更加寬廣，一方面，隨著電流的增大，LED器件承受的電壓值也在增加，LED的能帶更加傾斜，加劇了量子斯塔克效應(yīng)，使光譜產(chǎn)生紅移趨勢(shì);另一方面，增大電流后電子和空穴的分離對(duì)極化電場(chǎng)產(chǎn)生屏蔽作用，使光譜發(fā)光峰產(chǎn)生藍(lán)移.在圖10中可以看出電流為220mA時(shí)，屏蔽作用使黃綠光的發(fā)光峰藍(lán)移了十幾個(gè)納米，而藍(lán)光只藍(lán)移了5 nm左右，這是由于發(fā)出黃綠光的活性層Ⅰ具有更高的In含量，其晶格失配所引起的極化電場(chǎng)更強(qiáng)，所以屏蔽作用對(duì)其影響也更大.

在大電流下，量子阱內(nèi)有充足的載流子進(jìn)行輻射復(fù)合，綠光隨著載流子濃度的增多而迅速增多，同時(shí)量子點(diǎn)拓寬了器件的光譜范圍，LED輻射光譜呈現(xiàn)出更高的顯色指數(shù).

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)含有高In組分量子點(diǎn)的雙波長(zhǎng)LED進(jìn)行了模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)藍(lán)綠雙波長(zhǎng)LED的綠光量子阱中加入高In組分量子點(diǎn)后可以得到更寬廣的黃綠藍(lán)光譜，具有更高的顯色指數(shù)，為實(shí)現(xiàn)無(wú)熒光粉白光LED外延的生長(zhǎng)提供指導(dǎo).量子點(diǎn)對(duì)載流子具有更強(qiáng)的束縛能力，黃光與綠光的比例隨量子點(diǎn)濃度的增大而增大，載流子濃度較低時(shí)以量子點(diǎn)處的黃光輻射為主，載流子濃度變大后，量子點(diǎn)復(fù)合逐漸達(dá)到飽和，綠光輻射開(kāi)始占據(jù)主導(dǎo).對(duì)間隔層厚度和間隔層摻雜濃度的調(diào)節(jié)可以很方便地調(diào)控載流子的分布，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)含有量子點(diǎn)的雙波長(zhǎng)LED光譜的調(diào)控.

通過(guò)文中討論可以得出，量子點(diǎn)濃度和電流越大器件所呈現(xiàn)的光譜越寬廣，在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以根據(jù)不同的外延生長(zhǎng)工藝設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)牧孔狱c(diǎn)濃度、間隔層厚度及間隔層摻雜濃度進(jìn)行生長(zhǎng)，并根據(jù)器件效率要求加以適當(dāng)?shù)碾娏饕詽M足需要.

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