缺陷对InGaN/GaN蓝光发光二极管载流子输运的影响

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目前,基于III族氮化物半导体材料的发光二极管(Light-emitting diodes,LEDs)已经取得了巨大进步,尤其在蓝光LED领域。发光二极管具有很高的效率,相较于传统的钨丝灯和汞灯管,LED的效率是其20倍以上。因此,在全球的大范围内广泛地应用LED将节省大量的资源和能源,减少CO2和SO2的排放量。此外,用固态LED代替汞灯管可以避免汞污染,这将有助于改善地球的生态系统。尽管Ga N基LED技术发展成熟,但仍有待于进一步了解器件物理的原理以期进一步提高LED的内量子效率。本文针对缺陷对载流子注入以及内量子效率的影响进行了深入的研究,发现当缺陷浓度较低时,LED器件的内量子效率较高,但功率衰退现象却十分严重。相反地,随着缺陷浓度的增大,LED器件的功率衰退现象被抑制但是其内量子效率随之降低。由此可以说明,由缺陷引起的Shockley-Read-Hall(SRH)非辐射复合是影响LED器件内量子效率和功率衰退的重要因素。众所周知,缺陷是带电荷的,这将使载流子的能量弱化至最低。因此,缺陷可以捕获载流子,并随后发生与缺陷相关的非辐射复合。最终,缺陷将影响载流子注入到LED有源区的情况进而影响有源区中的载流子浓度。我们的研究表明,空穴的注入受缺陷的影响更大。因此,提高Ga N基LED的空穴注入仍需付诸更多的努力。本文通过使用APSYS软件获得具体的数值计算结果,形象直观地展示了缺陷浓度和缺陷能级对In Ga N/Ga N蓝光发光二极管的载流子注入和载流子复合的影响。我们发现电子注入受缺陷浓度和缺陷能级的影响较小。但是,空穴注入受到缺陷浓度和缺陷能量的影响却很大。对于那些浅缺陷能级,空穴在被俘获后仍具有从捕获中心逃逸的机会,并且那部分重新成为自由空穴的载流子可以在有源区中参与辐射复合。我们的研究结果还发现,当缺陷能级越接近禁带中心的位置时,空穴越易被捕获而进行非辐射复合。禁带中心以外的其他缺陷能级对空穴注入的影响均可以忽略不计。而对于深缺陷能级,空穴被捕获后从缺陷中逸出的机会较小,因此大部分空穴发生了非辐射复合而被消耗。此外,随着缺陷浓度的增加,LED的漏电流也随之增加。这是由于缺陷可以作为LED的分流电阻,形成一个漏电通道,从而引起漏电流的产生。
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