KAUST团队改进了大功率InGaN红色LED

第一款超过20nm的630nm LED，工作电压为3.3V

阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的科学家一直在研究高功率InGaN红色LED的生长和特性。通过精确控制InGaN量子阱中的应力，他们开发了第一个超过630nm的LED，电流为20 mA，工作电压为3.3V。

他们说，这些基于InGaN的红色LED在特征温度和电致发光（EL）峰移方面优于基于InGaP的红色LED。他们在《应用物理快报》的两篇最新论文中报告了他们的发现。Daisuke Iida等人的“ 633nm基于InGaN的红色LED在厚的下层GaN层上生长，具有减小的面内残余应力”。Zhe Zhuang等人的“尺寸对InGaN基红色发光二极管的电学和光学性能的影响”。

InGaN已用于通过调节铟的量来开发在整个可见光谱范围（380-780 nm）内具有响应的各种光学器件。但是，随着铟含量的增加，制造器件的难度成倍增加，这使得开发基于InGaN的红色LED（620 nm至780 nm）特别困难。

这是因为具有高铟含量的InGaN层遭受与它们的低温生长有关的关键问题。其中包括明显的晶格失配和量子限制的斯塔克效应（QCSE）。为了制造高性能的基于InGaN的LED，必须克服这两个问题。

2012年，日本东京大学的大川一弘（Kazuhiro Ohkawa）的研究小组在20 mA电流下实现了740 nm InGaN LED。但是，效率非常低。这些LED使用高温MOVPE生长技术在c面蓝宝石衬底上生长。高温生长显着改善了InGaN层的晶体质量，表明温度是影响生长的InGaN层质量的关键因素。快速生长促进了较高生长温度的使用。

东芝公司（日本）报道了在20 mA，4.4 V下的629 nm LED。这些LED用树脂模制而成，输出功率x 1.5。墙插效率（WPE）为1.3％，因此输出为1.1 mW。大阪大学的一个小组报道了在20 mA，4.8-6.3 V时具有1.25 mW的Eu掺杂的GaN 621 nm LED。

8μm的n-GaN层提高了EL强度

当基础n-GaN层的厚度从2μm增加到8μm时，KAUST的Ohkawa及其同事现在正在使用包括增强型MOVPE方法的技术，已将基于InGaN的红色LED的EL强度提高了1.3倍。

正如他们在论文中所解释的：“我们观察到在改变下面的n-GaN层厚度时提高的EL效率。具有较低面内应力的较厚的下层GaN层可减少红色LED上的表面缺陷；这可能归因于InGaN红色DQW的生长温度升高。通过使用较厚的下层，可以提高红色LED的光输出功率。在20 mA时，我们分别获得0.64 mW，3.3 V和1.6％的光输出功率，正向电压和EQE。研究表明，降低下层GaN层中的平面内压应力对于增强常规蓝宝石衬底上基于InGaN的红色LED的光输出功率至关重要。“

KAUST电气工程教授大川说：“我们试图控制InGaN QW中作为红色LED有源区域的应力。通过降低应力，我们可以引入更多的铟或提高InGaN层的生长温度。生长温度的升高是实现InGaN晶体高质量的关键。由于采用了高质量的InGaN，与传统结构中的缺陷密度7x108 cm -2相比，InGaN QW处产生的缺陷减少了五分之一。”

他继续说：“我们已经获得了首个20 mA时超过630 nm的LED，工作电压低至3.3V。与其他产品相比，它降低了25％-50％，并且在没有树脂模压的情况下WPE达到1.0％。 。”

尺寸如何影响基于InGaN的红色LED的性能

图1（a）显示了矩形LED芯片的图案。芯片的恒定台面宽度为250μm，而台面长度分别为350μm，450μm，550μm和650μm。图1（b）-1（e）显示了在20 mA时具有不同尺寸的红色LED芯片的EL图像。

图2.（a）台面长度为650μm的LED器件的IV特性。（b）在20 mA时，不同尺寸的10个LED器件的正向电压与1 /有效面积的关系。（c）在5 V电压下，十个不同尺寸的LED器件的反向电流作为有效面积的函数。星号代表10个器件的平均值，虚线是平均值的线性拟合

在研究红色LED的特性时，KAUST团队研究了输出功率和峰值波长的温度依赖性，并比较了InGaN红色LED和常规InGaP的结果。

特征温度定义为光输出的温度依赖性，对于更高的值更好。InGaN红色LED显示为399 K，远大于InGaP LED的303.8K。而且，由于带隙的温度依赖性等，光峰值波长随温度而移动。较小的偏移在实际使用中更好。InGaN红色LED的红移系数很小，为0.066 nm / K。对于InGaP LED，该值小于0.142 nm / K的一半。

该团队通过设计具有不同台面长度的矩形芯片，研究了尺寸对基于InGaN的红色发光二极管（LED）的电学和光学性能的影响。他们发现，较大的芯片由于其较低的串联电阻而具有较低的正向电压。更大的芯片有助于实现更长的发射波长，更窄的半峰全宽和更高的外部量子效率。

然而，取决于温度的电致发光测量表明，较大的芯片不利于需要高温耐受性的应用。相比之下，较小的红色LED芯片可实现399 K的高特征温度和0.066 nm / K的小红移趋势，因此显示了耐温照明应用的潜力。