王中林院士Nano Lett.：由壓電-光電子效應驅動的發光效率高且衰退低的GaN基紫外發光二極管

【引言】

Ⅲ-氮基紫外（UV）發光二極管（LEDs）由于在水處理、高密度光學數據存儲、醫用設備消毒以及生物成像領域的廣泛應用而吸引了研究者極大的關注。盡管Ⅲ-氮基LEDs已經商業化并且大量使用在逆光和一般照明中，但是量子效率的增強和光輸出效率的提高仍然是進一步降低成本同時擴大其應用范圍的必要條件。特別的是，UV LED光源相對較低的量子效率仍然遠遠落后于處于可見光區的器件。理想情況下，增加的電流注入能夠促進內量子效率（IQE）以及LEDs的光輸出效率。然而，這一降低成本的直接方法由于稱為“量子效率降低”現象的存在而使得在高電流密度下IQE會降低。因此，找到解決“量子效率降低”現象的方法就成為了當務之急。

【成果簡介】

近日，來自佐治亞理工學院、中科院國家納米科學中心的王中林院士和華南師范大學的李述體研究員（共同通訊）等人對GaN基紫外發光二極管進行了研究，所得器件不僅具有增強的發光效率，同時抑制了量子效率降低的現象。相關研究成果以“Simultaneously Enhancing Light Emission and Suppressing Efficiency?Droop in GaN Microwire-Based Ultraviolet Light-Emitting Diode by?the Piezo-Phototronic Effect”為題發表在了2017年5月10 日的Nano Letters上。

實驗中得到了同質的GaN p-n結Ⅲ-氮基發光二極管，并證實了在壓電-光電子效應作用下GaN納米線基p-n結紫外發光二極管的發光效率較高且量子效率衰減被抑制。通過施加-0.12%的垂直于p-n結界面的靜電壓縮形變，LED的相對外量子效率增強超過了600%，同時，量子效率衰減從46.6%降低到7.5%，對應的起始電流密度移動從10轉移到26.7A cm^-1。文中還從理論上證實了由壓電-光電子效應引起的增強的電子束縛和空穴注入的提高。

【圖文導讀】

圖1 GaN納米線基LEDs的一般表征

（a）GaN納米線的原子結構模型（a1）和LED的示意圖（a2）

（b）GaN納米線末端的光發射

（c）LED的I-V特性曲線

（d）GaN納米線基LED的室溫-電致發光（EL）光譜和對應的EL光譜的高斯函數峰反卷積曲線

圖2 壓電-光電子效應引起的增強的發光強度

（a）壓縮形變下表征GaN納米線基LED性能的自制測試系統示意圖

（b）不同壓縮形變下施加正向偏壓時LED的I-V曲線

（c）不同壓縮形變下20 μA注入電流時LED的光學光譜圖和對應的不同外加應變下納米線的CCD圖像

（d）在逐漸增加的壓縮應變下LED的整合EL強度（品紅）和相對EQE（藍色）的變化

圖3 由壓電-光電子效應引起的對量子效率下降的抑制

（a）不同電流密度時在持續（左）和脈沖（右）模式下的EL光譜

（b）在持續（品紅）和脈沖（藍色）模式下持續增加注入電流密度時峰值波長的變化

（c）不同壓縮應力下每一注入電流密度（J）點通過Ψ/J表現出的LED的相對EQE(η_ex)

（d）量子效率衰減起始電流密度和效率降低值相對于外部張力的變化

（e）在每一注入電流密度條件下η_ex的相對變化

圖4 理論模擬結果及物理機制

（a）在-0.12%壓縮應變下壓電電勢的整體分布

（b）穿過LED垂直于p-n結界面的壓電電勢值

（c）LED器件在無應變（左）和壓縮應變（右）條件下壓電電勢的產生和對應的能帶結構

【小結】

本文將壓電-光電子效應應用在了GaN納米線基p-n同質結發光二極管中，所得器件具有增強的量子效率的同時其量子效率衰減得到了抑制。通過對p-n結施加壓縮應變可以使LED的EQE增強超過600%，而且量子效率衰減降低。文中還對其中的物理機制進行了詳細討論和描述。本文的工作不僅對壓電-光電子效應在p-n同質結中的作用有了深刻的理解，而且為發展高效、發光強度高以及高功率的III-氮可見/紫外發光二極管提供了一種新穎的方法。

文獻鏈接：Simultaneously Enhancing Light Emission and Suppressing Efficiency?Droop in GaN Microwire-Based Ultraviolet Light-Emitting Diode by?the Piezo-Phototronic Effect（Nano Lett., 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b01004）

本文由材料人電子電工學術組大城小愛供稿，材料牛整理編輯。材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com

材料測試，數據分析，上測試谷！