追查效率衰减的根源

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校改进了发光二极管（LED）的ABC模型，以提取内部量子效率（IQE），从而评估降低LED性能的各种效应 [P. Thirasuntrakul, Appl. Phys. Lett., v126, p211103, 2025]。

ABC模型指的是一种理论假设，即LED中的载流子复合率可表示为载流子浓度（n）的一个简单幂级数：An+Bn2+Cn3。ABC系数大致上分别与以下几点相关：

区分并非如上述那么分明。用于制造蓝光和绿光LED的氮化铟镓（InGaN）系统具有电荷极化的化学键，这会在多量子阱结构中引入自发和应变电场。这些电场会对效率产生不利影响，使分析复杂化。随着铟含量的增加，发光波长变长，极化效应也会变得更加严重。

研究人员报告称：“研究发现，在商用绿光LED中，固有的Auger–Meitner复合诱导的效率衰减约占总效率衰减的49%，而极化诱导效应约占35%，热衰减约占16%。这些发现表明，要消除‘绿光效率缺口’（green gap），关键在于分别寻找固有Auger–Meitner系数和极化场较低的材料和器件设计。”

人们希望通过混合平衡LED的红、绿、蓝（RGB）光来提高固态照明的效率，但“绿光效率缺口”仍是实现这一目标的障碍。研究团队指出：“当前绿光LED的电光转换效率（WPE）在100A/cm2时为19%。为实现美国能源部（DOE）到2035年减少1.96亿公吨碳排放的目标，已为绿光LED设定了55%的电光转换效率目标。要实现这一目标，就必须探索InGaN绿光LED的效率衰减因素。”

图1：绿光LED效率与电流密度的函数关系。图例说明：黑色圆圈，使用光电模型（OEM）计算出的内部量子效率（IQE）；蓝色三角形，脉冲电流下的内部量子效率；红色正方形，恒定电流下的内部量子效率；绿色倒三角形，恒定电流下的外部量子效率（EQE）；实验测定的曲线，实线；模型得出的曲线，虚线。

研究人员利用去掉透镜的Cree XLAMP XP-E2 InGaN绿光LED在25°C加热台上的工作数据，通过改进后的“ABC”模型估算了各种因素对效率衰减效应的影响（图1）。在75A/cm2的电流密度下，研究人员估计固有的Auger-Meitner复合造成22%的效率衰减，电荷极化效应造成15.7%的效率衰减，热效应造成7.5%的效率衰减，光提取效率造成10.3%的效率衰减。Auger-极化-热效应构成了“效率衰减”，这三者对效率衰减的影响估计分别占总量的48.7%、34.7%和16.6%。

图2：归一化外部量子效率倒数（ηEM/ηE）与Pnorm1/2 + Pnorm-1/2的函数关系。

未经改进的ABC模型给出了外部量子效率倒数（1/ηE）与积分球中测得的光输出功率平方根组合之间的线性关系（图2），两者都归一化为最大值。图2中的点（2,1）代表外部量子效率的最大值，此时Pnorm = 1且ηE = ηEM。可见，该线性关系在低电流侧（即达到最大外部量子效率之前）保持良好，但在高电流时（在效率衰减区域），曲线呈现出非线性，当注入电流为恒定而非脉冲时，这种情况更为显著。脉冲测量通常用于减少热效应对效率的影响。

变量y = (ηEM/ηE)和变量x = Pnorm1/2 + Pnorm-1/2的线性方程为y = ηIM(1+x/Q)，其中ηIM为内部量子效率（IQE），Q为品质因子。从线性低电流数据中提取的内部量子效率为81.8%。

研究人员采用拉曼光谱评估了结温随电流注入的变化。假设光功率随温度呈典型的指数级下降，研究人员反推得出无热效应的输出功率（POEM）。然后，就可以利用这些功率值计算出这种光-电-热模型（OETM）上的IQEOEM，就像恒定和脉冲工作时计算内部量子效率一样。

来源：雅时化合物半导体

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