高頻驅動GaN-LED 的頻率響應特性研究

鄭俊杰,郭家瑋,李文豪,吳朝興, ,郭太良,

(1.福州大學 物理與信息工程學院,福建福州 350108;2.中國福建光電信息科學與技術創新實驗室(閩都創新實驗室),福建 福州 350108)

LED 作為固態光源,在信息顯示、通信、農業、醫學等領域具有廣泛的應用前景[1-2]。最近,以LED為基礎的新型顯示技術廣泛應用于車輛顯示器、智能手機、微型投影儀、超高清電視、數碼相機等先進設備[3-8],具有千億美元級別的市場規模,是中國戰略性高新科技領域的基礎性產業[9]。因此,基于LED 的顯示技術被認為是未來顯示中最具潛力的創新技術。

隨著LED 顯示技術的發展,交流驅動LED 獲得了廣泛的關注。例如,基于惠斯通和梯形橋電路所設計的LED 芯片在交流模式下具有良好的性能,有望作為低功耗顯示器的背光源[10-11]。Shin 等[12]提出了一種交流模式下LED 的熱表征方法,這對評估LED 封裝性能具有指導作用。馮偉峰等[13]證實了LED 在矩形電流模式下具有最高的光輸出,該電流模式有希望作為低功耗顯示器的驅動模式。因此,交流驅動LED 的發展將促進設備性能的提升和增加LED 的應用價值。此外,先進發光、顯示技術推動了高頻驅動LED 的發展[14-19]。例如,基于Micro-LED 顯示器可以為每個像素提供數字控制驅動器,從而實現480 幀速率投射圖案[14]。Tokimoto 等[15-16]提出了一種超高幀速率的LED 顯示架構,進而制造出4320 幀速率的顯示屏。通過使用切換頻率為兆赫茲的LED,滿足超高分辨率顯微鏡對照明光源的需求[17-18]。盡管高頻驅動LED 是一個新興的研究方向,但是有關LED 發光強度與頻率的關系研究較少。因此,揭示驅動頻率對交流模式下LED 發光強度的影響具有重要意義。

本項工作中使用具有寬禁帶、高電子漂移速率、化學穩定性強的GaN-LED[20-21]作為發射體,研究方波交流電壓下LED 發光強度的頻率響應特性。研究表明,發光強度波形與電壓波形存在遲滯時間,并且隨著頻率的增大,遲滯時間維持在27 ns 附近。此外,交流驅動頻率范圍內(100 kHz～ 50 MHz)發光強度呈現四個不同的區域: 即隨著頻率的升高,LED 發光強度先保持穩定,隨后下降,再次上升,最后衰減直至停止工作。其中,串聯電阻會引起四個區域的改變。本文闡述了隨著驅動頻率的增加,形成四個區域的原因是電子和空穴的擴散系數不同,導致電子和空穴在多量子阱區域的濃度變化存在顯著差異,從而引起復合區域的改變。

1 實驗

實驗使用的GaN-LED(購買自福建兆元光電有限公司)從上到下的主要結構包括了p-GaN(300 nm)、AlGaN 層(30 nm)、多量子阱(200 nm)、n-GaN(2.4 μm)、GaN 半導體層(2.3 μm)和GaN 緩沖層(30 nm)等。p-GaN 和AlGaN 都采用了Mg 進行摻雜,摻雜濃度為7×1017cm-3。n-GaN 采用了Si 進行摻雜,摻雜濃度為5×1018cm-3。多量子阱的結構從上到下包括了In0.15Ga0.85N(5 nm)/GaN(15 nm,5 組)和In0.15Ga0.85N(5 nm)/InxGa1-xN (15 nm,x=0.01～0.05,5 組),其中5 組表示使用該結構重復了五次,如圖1(a)所示。由函數信號發生器(RIGOL DG5352)產生的方波交流電壓驅動GaN-LED,驅動電壓為6 V,驅動頻率為100 kHz～50 MHz。所用方波的正向幅值為+3 V,負向幅值為-3 V。用+3 V 進行測試是因為GaN-LED 在+3 V 電壓下已經具有較高的發光強度?？紤]到LED 陣列在實際應用中會出現比較復雜的串并聯結構[10-11],這會造成部分LED 處于+3 V 偏壓時,另外部分的LED 會處于-3 V 偏壓。因此,最終情況是LED 會工作在-3 V 到+3 V。因此,選擇從-3 V 到+3 V 測試LED。使用光電探測器(THORLABS S120-FC)采集LED 發光強度。使用示波器(RIGOL DS7024)記錄LED 發光強度和施加電壓。所有測量均在室溫無外界環境光條件下進行。

2 結果與討論

由圖1(b)可知,當1 MHz 的方波電壓施加在LED 兩端時,觀測到發光強度波形與電壓波形存在遲滯時間約為27 ns。雖然遲滯時間很小,但表明了發光強度波形會滯后電壓波形。此外,依據器件的工作機制可知,LED 處于正向偏置會降低器件內部的勢壘高度,引起多數載流子向量子阱擴散,從而實現電子和空穴在多量子阱中相遇和輻射復合。然而,由于器件內載流子從擴散到復合產生光子需一定的時長,這造成了兩個波形不在同一時刻產生。因此,遲滯時間與載流子的擴散和復合有關,對遲滯時間內LED 的發光強度展開分析,如圖1(c)所示。在T=0 時LED 處于正向偏置,器件內電子和空穴開始向多量子阱內移動;隨后在T1時刻,部分的載流子填充到量子阱中,另一部分載流子繼續擴散;直至T2時刻載流子填充到各個量子阱內以輻射復合的方式產生光子。

圖1 (a) GaN-LED 的結構示意圖;(b) 發光峰與電壓的波形圖;(c) 發光機理示意圖Fig.1 (a)Schematic diagram of GaN-LED;(b) Waveforms of luminescence and voltage;(c) Schematic diagrams showing the working mechanism

為了解遲滯時間與驅動頻率的關系,分析了不同頻率下發光強度波形與電壓波形的時延,如圖2(a)～(d)所示。在不同的頻率中觀測到發光強度波形始終滯后于電壓波形,兩個波形的遲滯時間均在26～28 ns范圍內。因此,可以認為該遲滯時間與頻率無顯著的對應關系。載流子的擴散和復合是造成該遲滯的更重要因素。當載流子的擴散系數和復合機率增大時,遲滯時間將減小。根據以上分析,在高頻LED 的驅動設計中要確保正電壓脈沖的持續時間大于該遲滯時間,否則會導致LED 的發光亮度達不到預期值。

圖2 不同頻率下發光峰與電壓的波形圖Fig.2 Waveforms of luminescence and voltage at different frequencies

盡管提高驅動頻率對遲滯時間無顯著影響,但LED 發光強度會產生較大的變化,如圖3 所示。在交流頻率范圍內,發光強度呈現四個不同的區域。即:在較低頻率范圍內(Ⅰ區域),發光強度基本不變,稱為穩定區;隨著頻率增大,器件進入到Ⅱ區域中,發光強度不斷降低,稱為下降區;當頻率進一步增大到Ⅲ區域內,發光強度有所升高,稱為回升區;當器件工作在Ⅳ區域中,發光強度大幅度降低,稱為衰減區。隨著頻率的增加,發光強度呈現四個區域的原因是電子和空穴的擴散系數不同[22-23],導致電子和空穴在多量子阱區域的濃度變化存在顯著差異,從而引起復合區域的改變。此外,由圖3 可知頻率低于12 MHz 時,LED 發光強度保持相對穩定。

圖3 LED 發光強度與頻率關系Fig.3 Luminescence intensity-frequency relationship

由于GaN-LED 發光強度取決于注入到多量子阱內的載流子數量,而注入的載流子數量與LED 兩端電壓有關。因此,為了研究LED 兩端電壓對高頻驅動下LED 發光強度的影響,通過串聯不同阻值的金屬膜電阻進行分壓測試。由圖4 可知,對于串聯電阻為100 Ω 的LED,其發光強度下降區起始于7 MHz,這小于無電阻LED 發光強度的下降區起始頻率(12 MHz),此外存在回升區,只是無法恢復到初始的發光強度。對于串聯電阻為1000 Ω 的LED,其發光強度僅存在穩定區和衰減區,并且從頻率為1 MHz 開始急劇衰減。實驗結果表明了調整電阻阻值會改變四個區域的產生以及消失,造成該現象的原因是串聯低功率的有感電阻。該電阻阻值取決于沉積在瓷管上槽的圈數,這會導致不同阻值的電阻感抗存在差異。此外,感抗隨著頻率的升高而不斷增大[24],進而降低LED 兩端電壓。因此,高頻交流電壓驅動LED 時,不能采用低功率的金屬膜電阻進行分壓。這是因為金屬膜電阻會給LED驅動回路引入感抗,顯著影響LED 的高頻特性。

圖4 不同串聯電阻下LED 發光強度-頻率關系Fig.4 Luminescence intensity-frequency relationship with different series resistances

由上述研究可知,LED 發光強度隨著頻率的升高會形成四個區域,造成該現象的原因是電子和空穴擴散系數不同導致復合區域的轉變。在此基礎上,通過擴散系數相關的公式進一步了解復合區域的轉變。其中擴散系數與遷移率有關,遷移率可由公式(1)得出:

式中:q是電子電荷;ln是電子平均自由程;是電子有效質量;k0是玻爾茲曼常數;T是熱力學溫度。因而擴散系數可用公式(2)得出:

式中:Dn是電子擴散系數。研究表明GaN 中空穴最大遷移速率為13 cm2/(V·s),電子最大遷移速率為1350 cm2/(V·s)[25],通過公式(2)可以得出Dn大約是Dp的100 倍。盡管對GaN 進行不同濃度的摻雜會改變載流子的擴散系數,但GaN-LED 內部的Dn始終大于Dp。因此,在電壓驅動下LED 內部的電子會比空穴更快擴散到多量子阱內。這會造成電子和空穴在多量子阱中分布不均。此外,提高頻率會降低載流子擴散時間,加劇多量子阱內載流子分布不均,從而引起復合區域的改變。因此,LED 發光強度隨頻率的增大會呈現四個區域。

GaN-LED 在四個區域中的載流子傳輸如圖5 所示。在較低的頻率范圍內(穩定區),外部電路的載流子不斷注入到LED 兩端,并且電子和空穴分別從n-GaN 和p-GaN 向多量子阱內擴散,如圖5(a)所示。由于擴散時間充足,電子和空穴可以擴散到每個量子阱中,進而LED 發光強度取決于多量子阱中參與輻射復合的載流子數量。隨著頻率升高,器件進入到下降區會導致交流電壓正周期下降,從而縮短了載流子擴散的距離。擴散系數較小的空穴已無法擴散到靠近n-GaN 端的量子阱中,如圖5(b)所示。在多量子阱中,參與輻射復合的載流子數量因空穴數量的下降而減少,進而降低LED 發光亮度。當頻率進一步升高,交流電壓周期繼續下降,導致載流子的擴散距離縮短。造成空穴主要分布在多量子阱中間區域和p-GaN 端附近的量子阱內,進而載流子的復合區域集中在空穴分布的量子阱中,如圖5(c)所示。雖然復合區域轉變為靠近p-GaN 附近的量子阱中,但研究表明載流子復合概率最大的地方位于靠近p-GaN 端的量子阱內[26]。此外,靠近p-GaN 端的量子阱輻射復合速率約為2.6×1027cm-3·s-1,這是靠近n-GaN 端量子阱復合速率的二十倍[27-28]。因此,盡管此時位于多量子阱中的載流子數量較低頻時少,但由于靠近p-GaN 端的量子阱內電子和空穴輻射復合效率高,從而引起LED 發光強度的升高(此時器件工作在回升區)。當器件工作在衰減區內,由于交流電壓周期進一步下降,擴散系數較大的電子已無法擴散到靠近p-GaN 端的量子阱中,如圖5(d)所示。雖然電子和空穴的復合主要集中在靠近p-GaN 端的量子阱內,但僅有極少的電子和空穴參與輻射復合,造成LED 發光強度大幅度的衰減。隨著頻率進一步增大,電子和空穴已無法在量子阱內相遇并復合,發光停止。上述分析表明了提高頻率會改變載流子的復合區域,造成LED 發光強度呈現四個不同的區域。

圖5 電子空穴傳輸示意圖。(a)穩定區;(b)下降區;(c)回升區;(d)衰減區Fig.5 Schematic diagram of electron and hole transport in the four regions.(a) Stable region;(b) Falling region;(c) Rising region;(d) Decay region

3 結論

本文研究了方波交流電壓下GaN-LED 發光強度的頻率響應特性。實驗結果表明,電壓正周期中LED發光強度波形與電壓波形存在一定的延遲,遲滯時間維持在27 ns 左右,且不隨頻率變化。此外,在交流驅動頻率范圍內(100 kHz～ 50 MHz),觀測到LED 發光強度隨著頻率的升高,先保持穩定,隨后下降,再次上升,最后衰減直至停止工作,呈現四個不同的區域。而串聯不同阻值電阻會導致四個區域的改變。隨著驅動頻率的增加,形成四個光強響應區域的原因是由于電子和空穴的擴散系數不同,導致電子和空穴在多量子阱區域的濃度變化存在顯著差異,從而引起復合區域的變化。本工作有望為基于LED 的超高幀速率顯示器件驅動設計提供依據。