李夢梅，胡小玲，郭偉玲

(北京工業(yè)大學 光電子技術教育部重點實驗室，北京 100020)

引言

LED是一種固態(tài)光源[1]。憑借能耗低、響應快、體積小等特點，已經廣泛應用于指示燈、顯示器、一般照明等領域[2-4]。自GaN LED產生以來，隨著人們研究的深入和科學技術的發(fā)展，LED的研發(fā)技術得到不斷的創(chuàng)新和突破，其能效快速地提升。

能效即光電轉換效率，是輸入的電功率轉換成輻射功率的效率，高能效是發(fā)光器件追求的目標。對于白熾燈而言，其發(fā)光機制是熱輻射，光電轉換效率約為5%，光效約為10～15 lm/W[5, 6]。雖然熒光燈的紫外光輻射較高，但熒光粉的轉換效率較低，限制了其高光效的實現(xiàn)，其光電轉換效率約為20%～25%，光效為50～85 lm/W[5]。相比白熾燈和熒光燈，LED光電轉換效率已經達到40%～80%，產品光效高達100～150 lm/W[7, 8]。憑借其高能效和高光效，LED已逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源成為新一代光源。

1 影響LED光源能效的因素

LED從外延到最后制成應用系統(tǒng)依次需要經過外延生長、芯片制備、器件封裝、系統(tǒng)控制驅動這四個過程，每個過程都會影響LED光源的能效。LED光源的能效受驅動裝置、封裝、熱效率與固定和光學系統(tǒng)的影響，如圖1所示。從封裝的LED角度，提升電注入效率、內量子效率(IQE)、外量子效率(EQE)、熒光粉效率和散射效率能達到提升LED光源能效的目的。內量子效率指單位時間內從有源區(qū)發(fā)出的光子數(shù)與注入有源區(qū)的電子數(shù)的比值。外量子效率是指是單位時間內出射到自由空間的光子數(shù)與注入電子數(shù)的比值。外量子效率等于內量子效率與光提取效率的乘積，光提取效率是指單位時間內有源區(qū)發(fā)出的光子數(shù)與逸出到自由空間光子數(shù)的比例。

圖1 影響LED光源能效的因素

2 提升LED內量子效率的研究

內量子效率主要取決于多量子阱內載流子的輻射復合率，其受到多量子阱的生長質量、載流子的限制、量子限制斯塔克效應等[9]因素的限制。研究者們通過圖形化襯底外延技術、電子阻擋層技術、納米柱器件結構等提高內量子效率。

2.1 圖形化襯底外延技術

GaN基藍光和綠光LED通常在c面藍寶石襯底上外延InGaN/GaN多量子阱，但是藍寶石襯底與GaN外延層之間存在較大的晶格失配(失配率約為16%)和熱失配(失配率約為26%)[10, 11]，導致GaN外延層在生長的過程中產生高達109～1012cm-2的位錯密度，進而形成非輻射復合中心，降低LED的IQE和壽命[12]。

圖形化藍寶石襯底技術是在藍寶石上做出微米級甚至納米級的圖形結構，一方面通過誘導GaN橫向外延來降低藍寶石襯底與GaN外延層的位錯密度，提高晶體質量[13, 14]；另一方面圖形化藍寶石襯底上的圖案能夠散射有源區(qū)發(fā)射的光子，增加光子逸出到體外的概率，從而增加光提取效率。主要是通過濕法腐蝕和干法刻蝕，形成凹槽形、半球形、圓錐形、梯形等。

2016年Hsueh等[15]制備的梯形藍寶石襯底LED。在350 mA的注入電流下光輸出功率為254 mW，比平面藍寶石襯底LED高61.8%。2017年Huang等[16]在c面藍寶石襯底上采用新型自組裝網狀Pt薄膜作為掩膜版制備了納米空腔型藍寶石襯底，藍寶石襯底與GaN層的交界面如圖2所示。其結構與平面襯底LED相比，具有更低的壓應力，光輸出功率增加了45%。2019年Xing等[17]提出了SiO2復合圓錐型的藍寶石襯底結構如圖3所示。并制備了圓錐型藍寶石襯底器件作對比，通過計算特定GaN外延區(qū)域的位錯數(shù)來估計整體GaN外延層的位錯密度，普通型圓錐型的位錯密度降至5.7×107cm-3，而復合型的位錯密度大幅度下降至8.5×106cm-3，位錯密度比普通型減少了一個數(shù)量級，光輸出功率增加了30%。復合型襯底可以有效地避免在側壁區(qū)域生長的GaN與襯底c面區(qū)域生長的GaN相結合而產生的缺陷，提高外量子效率。

綜上所述，圖形化襯底可以減少GaN外延的壓應力、位錯密度，提高晶體質量，增加光輸出功率，進而提高外量子效率。

圖3 SiO2復合型圓錐藍寶石結構[17]

2.2 電子阻擋層技術

由于GaN基LED空穴具有較高的有效質量和較低的遷移率，導致空穴在最后一個量子壘和p-GaN之間堆積，難以有效的輸運到有源區(qū)。而電子具有較低的有效質量，其遷移率比空穴高一個數(shù)量級，電子的運輸比空穴更為有效，致使有源區(qū)內電子和空穴分布不平衡，導致IQE較低。為了平衡有源區(qū)內電子和空穴分布，增加P區(qū)空穴濃度是最直接的方法。然而，P區(qū)摻雜的Mg熱電離能很高導致激活率很低，過高的Mg摻雜會產生自補償效應[18]。另一種方法是在多量子阱結構后加入電子阻擋層(EBL)，抑制電子泄漏，減緩有源區(qū)內電子空穴分布的不平衡。

傳統(tǒng)的電子阻擋層是P-AlGaN層，由于其阻擋電子的作用較弱，電子很容易躍過阻擋層到達p-GaN區(qū)，與空穴發(fā)生復合形成電子漏電流。在大電流下漏電流現(xiàn)象更嚴重。近年來，有研究者提出了漸變Al組分電子阻擋層的概念。2014年Liu等[19]進行了漸變Al組分與傳統(tǒng)p-AlGaN EBL的對比研究，結構如圖4所示。在變電流測試下，沿生長方向Al組分遞減的EBL，輸出光功率最大，隨著電流的增大EQE下降的最少。沿生長方向Al組分遞減的EBL改進了傳統(tǒng)的EBL，抑制了有源區(qū)電子空穴分布不平衡，緩解了droop效應。

2019年Prasad等[20]又進一步研究了漸變Al組分的EBL,設計了雙側階梯型漸變Al組分EBL結構如圖5所示。在電流密度為200 A/cm2時，該結構的IQE高達96%，相比傳統(tǒng)結構提升了31.5%，輸出光功率提高了3倍。在0～200 A/cm2的變電流密度下，IQE僅下降5%，但是傳統(tǒng)EBL結構卻下降了70%。此結構有效增加了內量子效率，減少了droop效應。

2017年曾思明等[21]研究了p-AlGaN/InGaN超晶格結構的EBL，如圖6所示。研究表明組分漸變超晶格EBL結構，在200 mA注入電流下，光輸出功率和內量子效率比傳統(tǒng)p-AlGaN EBL提高了52.8%和53.8%。此結構電子勢壘從最后一個量子壘逐漸上升到p-GaN，成功抑制了一部分電子泄漏。

綜上，漸變Al組分和超晶格結構EBL都可以緩解有源區(qū)載流子分布的不平衡，抑制電子泄漏，增加有源區(qū)內的輻射復合率，提高了IQE，減小droop效應。其中超晶格結構對IQE的提升更為明顯，但工藝更為復雜。

圖4 漸變Al組分EBL的LED結構[19]

圖5 雙側階梯Al組分漸變EBL的LED結構[20]

圖6 超晶格EBL結構的LED[21]

2.3 納米柱器件結構

有研究表明納米柱結構是釋放量子阱層應變、提升內量子效率的有效方法[22]。納米柱結構穿過了有源區(qū)使得有源區(qū)的表面體積增大，從而有效降低了量子阱內部的部分應力，因而降低了壓電電場，減少了量子限制斯塔克效應，提升了IQE。

2016年黃華茂等[23]研究納米柱高度對內量子效率的影響，結構如圖7所示，發(fā)現(xiàn)納米柱刻蝕到n-GaN時才能有效的提高內量子效率。這為后續(xù)研究奠定了工作基礎。同年，南京大學智婷等[24]采用紫外印壓技術制備出了納米柱陣列結構LED，估算出InGaN/GaN多量子阱納米柱結構可獲得70%的馳豫，量子阱內部的應力得以釋放，大大減弱了量子限制斯塔克效應。2018年Al-Khanbashi等[25]優(yōu)化了納米柱參數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)納米柱直徑在1 000 nm，柱體之間的距離小于1 000 nm時，內量子效率最高，能夠在熒光顯微鏡下觀察到高亮度的藍光。

納米柱結構雖然可以釋放多量子區(qū)域的部分壓應力，增加內量子效率，但是在刻蝕納米柱的過程中，容易對多量子區(qū)域造成損傷，因此選擇小損傷的制備方式就顯得尤為重要。

圖7 納米柱結構的LED[23]

3 提升LED外量子效率的研究

GaN LED的內量子效率已經達到80%以上[26]，外量子效率仍較低，為獲得 GaN基LED的高EQE，必須提高光提取效率，其仍有較大的提升空間。研究者們提出電流阻擋層技術、表面粗化技術、光子晶體技術等來優(yōu)化提高LED的光提取效率。

3.1 電流阻擋層技術

電流阻擋層(current blocking layer, CBL)是P電極正下方，透明導電層與p-GaN之間形成的一層絕緣介質。它能夠阻擋電流向P電極正下方流動，減小正下方有源區(qū)的電流密度，從而減小P電極吸收、反射有源區(qū)產生的光子進而減少光損失。另一方面電流阻擋層緩解了P電極周圍電流擁擠效應，提高了光提取效率。

CBL的形狀對LED的光提取效率有不可忽略的影響。2013年曹偉偉等[27]對CBL的形狀展開了研究，發(fā)現(xiàn)當電流阻擋層與P電極形狀相同時器件的輸出光功率和光電轉換效率最高。

制備CBL常用的方法是生長或沉積SiO2絕緣介質。由于SiO2CBL幾乎是透明的，從有源區(qū)發(fā)出的光子通過透明SiO2CBL，會被P電極吸收，造成光損失。為較少光損失，2015年Park[28]等在常規(guī)的SiO2CBL中嵌入了Ag粒子。在20 mA的注入電流下，與SiO2CBL的LED相對比，電壓降低0.15 V，與無CBL結構和有SiO2CBL的LED相比，光輸出功率分別增加了11.9%，7.0%。嵌入Ag粒子可使電壓有輕微下降，同時使原本被P電極吸收的光發(fā)生了散射，提高了光提取效率。2017年Park等[29]又進一步研究抑制P電極吸收光子的方法，采用納米印壓技術圖形化SiO2CBL，如圖8所示。發(fā)現(xiàn)其電特性與普通SiO2CBL無差異，但是光提取效率分別比無CBL、常規(guī)SiO2CBL的LED提高了39.6%、11.9%，常規(guī)制備SiO2CBL不能產生平面絕緣層。2016年Kim等[30]提出通過氮注入形成絕緣層作為CBL的方法。結果表明其內量子效率與無CBL幾乎相同，外量子效率提高了20%。

3.2 表面粗化技術

從LED有源區(qū)產生的光逸出到自由空間的過程中，由于折射率的不同，入射角超過臨界角的光會發(fā)生全反射，一般LED結構的全反射臨界角約為23°，有源區(qū)產生的光大約只有4%能從表面逸出[31]。表面粗化是減少因全反射造成光損失的一種有效手段。通過改變LED表面的粗糙度，破壞全反射的限制，使原本在臨界角外的光在粗糙表面處發(fā)生多次散射進入臨界角內，逸出體外，提高光提取效率。

一方面，可以通過粗化透明導電層來增加光提取效率。2016年Chen等[32]采用聚苯乙烯納米球和干法刻蝕工藝制備了GaN基LED具有納米盤圖案化的ITO透明導電層結構如圖9所示。在20 mA電流下，光輸出強度最大增加了108%，但是其在刻蝕過程中易對p-GaN產生損傷。為防止在刻蝕ITO圖形化的過程中對P-GaN產生損傷，2018年Kim等[33]采用印壓光刻技術制備了六角錐型的ITO膜層，其漫射透過率卻從0.74%增加到了34.8%，光輸出功率增加8%，但是印壓光刻技術的成本相對較高。

另一方面，粗化鈍化層一樣也可以起到增加光提取效率的目的。2014年Xu等[34]用Ag納米粒子掩膜和干法刻蝕粗化鈍化層SiNx。在20 mA下，粗化SiNx的LED光輸出功率提升77.6%。2017年Liu等[35]采用超聲噴霧熱解沉積法，在GaN基紫外光LED的表面和側壁上生長MgO納米線陣列。采用MgO納米陣列的LED具有較高的正向電壓和串聯(lián)電阻，但是光輸出功率比SiO2鈍化層的LED提高了14.1%,外量子效率提高了12%。其制備工藝較為簡單，不需維持真空環(huán)境，也不需高氣壓的過程，有利于大規(guī)模的生產。

圖9 圓盤型ITO的 LED結構圖[32]

3.3 光子晶體技術

光子晶體是一種結構呈現(xiàn)周期性變化的光學微結構。將光子晶體引入LED中調制光子的傳播方向和角度，也可達到增強光提取效率的目的。

2015年Ding等[36]通過時域有限差分法在倒裝LED中嵌入雙層光子晶體，一層嵌入P-GaN中，另一層嵌入N-GaN中，優(yōu)化參數(shù)后，光提取效率提高約80%。模擬的雙層光子晶體結構顯著提高了LED的光提取效率，為后續(xù)制備光子晶體結構LED提供了新的方式。同年，于治國等[37]利用陽極氧化鋁掩膜和干法刻蝕工藝制備了納米孔光子晶體。在20 mA的驅動電流下，當光子晶體刻蝕到P-GaN時，光輸出功率最高，刻蝕到有源區(qū)時光提取效率最佳，但是刻蝕深入到有源區(qū)后，會對有源區(qū)的晶體質量造成損傷，降低內量子效率。同時，制備納米孔結構后ITO的電流擴展能力下降，導致方塊電阻增加。

2018年Liu等[38]也采用時域有限差分法模擬了SiO2光子晶體，將SiO2填充進ITO陣列中結構如圖10所示，優(yōu)化參數(shù)后，其比傳統(tǒng)平面LED增強了37%以上。2018年Hu等[39]通過紫外納米印壓技術制備表面二氧化硅光子晶體，具有SiO2光子晶體的紫外、藍光、綠光LED的光輸出功率分別增加了27.7%、14.6%、40.5%，紫外和綠光的光提取效率增強了22%、13%，但是藍光的光提取效率卻下降了8%，此結構可用于提高紫外和綠光LED的光提取效率。

圖10 SiO2填充ITO陣列的光子晶體[38]

4 GaN基LED能效的提升進程

GaN基LED到目前為止已有近50年的發(fā)展歷史。1971年Pankove等[40]研制出金屬-絕緣體-半導體結構的GaN藍光二極管，這是全球最先產生的藍光，但是EQE僅有0.03%～0.1%。1989年，Amano等[41]成功克服了P型摻雜的問題，研制出了Mg摻雜的p-GaN,成功制備了世界上第一支GaN基PN結LED。1993年中村修二等[42]研發(fā)出了InGaN/GaN雙異質結藍光LED，EQE達0.22%，光輸出功率是同質結的3倍。1994年Nichia公司向市場推出了第一支藍光LED商品。1995年中村修二等[43]又設計了InGaN/GaN單量子阱結構的藍光LED，在20 mA的電流注入下，最大輸出功率可達到4.8 mW，EQE高達8.7%。同年，中村修二等[44]在單量子阱藍光LED的基礎上，通過改變In組分獲得了單量子阱結構的GaN基綠光LED器件，其發(fā)光強度為12 cd，是傳統(tǒng)綠光GaP基LED的100倍，在20 mA的電流下，外量子效率為6.3%。2004年Cree公司宣稱在20 mA電流下，其藍光LED的光輸出功率達19 mW。

進入21世紀以來，白光LED就成為備受矚目的綠色光源，開始飛速發(fā)展，在照明領域擁有廣闊的應用前景。2004年Cree公司宣稱其實驗室樣品LED在20 mA電流下發(fā)光效率為74 lm/W[50]。2006年Nichia宣布白光LED的發(fā)光效率突破100 lm/W[51]。2007年Cree公司稱冷白光LED的發(fā)光效率達到129 lm/W[52]。2012年Cree研發(fā)出新型LED，該LED在350 mA下發(fā)光效率高達254 lm/W[53]。2014年，該公司又宣布白光功率型LED在350 mA下實驗室光效高達303 lm/W[54]，是目前國際報道的最高光效產品。2016年我國功率型白光LED產業(yè)化光效已達160 lm/W[55]。相關數(shù)據(jù)顯示：2018年我國產業(yè)化高功率白光LED光效水平達到180 lm/W，2019年我國產業(yè)化功率型白光LED光效超過200 lm/W，與國際水平持平，室內燈具光效超過100 lm/W，室外燈具光效超過130 lm/W[56]。

5 結論與展望

GaN基LED具有能耗低、響應快、壽命長、可靠性高等特點，廣泛應用于指示燈、顯示器、一般照明等領域。隨著GaN基LED的不斷發(fā)展，高能效成為了其追求的目標之一。GaN基LED光源能效受驅動裝置、封裝的LED、熱效應與固定和光學系統(tǒng)的影響。隨著研究的不斷深入，LED的內量子效率和外量子效率有了較大的提升。這主要歸功于LED外延和芯片技術的提高，圖形化襯底、電子阻擋層和納米柱結構等技術能有效提升內量子效率；電流阻擋層、表面粗化和光子晶體等技術能有效提升外量子效率。目前LED的能效已經達到40%～80%，隨著科技的進步和研究的不斷突破，GaN基LED的能效有望得到進一步的提高，這將加快LED替代傳統(tǒng)光源的進程，為節(jié)能環(huán)保做出巨大貢獻。