浅谈LED外延生长的量子限制斯塔克效应

郝长虹

【摘要】氮化物体系LED由于存在大的极化效应，量子限制斯塔克效应显著，即量子阱的能带发生倾斜，电子和空穴在空间分离，辐射复合效率下降。通过引入新型外延结构，可以降低极化电场的影响，从而提高内量子效率。本文采用阶梯型量子阱的新结构设计削弱量子限制斯塔克效应，提高电子和空穴的有效辐射复合几率。

【关键词】LED；外延结构；量子阱；量子限制斯塔克效应

1、引言

半导体照明技术是继白炽灯、荧光灯之后，照明光源的又一次革命。半导体照明技术发展迅速、应用领域广、节能潜力大、绿色环保，被公认为是最有发展前景的高技术节能产业之一，而半导体照明的核心就是LED芯片。

普通白炽灯的光效为15 lm/W，而目前照明用LED灯的光效已可达到120 lm/W以上，约5瓦的LED灯就可以代替40瓦的白炽灯。LED代替传统照明已表现出明显的节能优势，持续提高LED灯的发光效率，即在额定驱动电流时减小电压和提高发光亮度，能更有效的降低能源消耗。提高LED的发光效率一个方法就是优化外延结构的设计，提高载流子的发光复合效率。

2、量子限制斯塔克效应

由于势垒的限制作用，量子阱中的二维激子即使在较高的纵向电场作用下仍不发生分离，可以观察到激子吸收边的红移，这一现象甚至在室温下也能观察到，这种效应被称为量子限制斯塔克效应（Quantum-confined Stark effect）。利用极性材料生长的量子阱结构中，由于极化效应严重，异质结界面处会产生极化电荷，形成极化电场；在电场的作用下，量子阱中电子和空穴的波函数的空间分布和交叠状况发生改变，使能带发生弯曲，导致电子和空穴发生空间分离，复合几率减小。故量子限制斯塔克效应对发光器件非常不利。

3、普通量子阱和阶梯量子阱的区别分析

GaN基LED芯片的制作方法通常为：采用MOCVD（金属有机化合物气相沉积）在衬底上外延生长一层GaN缓冲层；然后再生长非掺杂的GaN，目的是提高后续外延晶体的质量，在此基础上再依次生长N型GaN、有源层和P型GaN形成LED外延片。在有源层具有一组或多组量子阱层，通过将量子阱设计成阶梯量子阱生长、改变电子和空穴波函数的重合度，从而达到提高亮度的目的。

如图1所示，左图是普通的LED外延结构设计中的量子阱结构的能带图，右图是新型的LED外延结构设计，即阶梯型量子阱结构的能带图。Ψe和Ψhh分别是电子和空穴的空间波函数，即分别代表电子和空穴在量子阱中的分布几率（峰值处代表分布几率最大的位置）。由于极化效应，量子阱的能带发生倾斜，Ψe和Ψhh的峰位相距较远，即电子和空穴在空间分离较明显，从而导致辐射复合效率下降，影响LED的发光。设计成阶梯阱后，Ψe和Ψhh的峰位靠近，即电子和空穴在空间分离减小，有利于电子和空穴的辐射复合，从而LED的发光增强。阶梯量子阱结构设计的关键是量子阱能带差（即台阶高低）的优化。外延生长是通过精确控制量子阱分段生长，从生长温度和InGaN量子阱的In源的流量两个方面控制量子阱能带差，经过优化的阶梯阱结构可以有效提升LED的亮度。

4、结语

综上所述，通过在外延生长中设计阶梯量子阱结构，能够显著削弱量子斯塔克效应，电子和空穴在空间的分离减小，有利于电子和空穴的辐射复合，进而优化能带差而有效提高LED的亮度。

參考文献

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