高频驱动GaN-LED,的频率响应特性研究
时间：2023-06-27 21:55:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
郑俊杰,郭家玮,李文豪,吴朝兴, ,郭太良,
(1.福州大学 物理与信息工程学院,福建福州 350108;2.中国福建光电信息科学与技术创新实验室(闽都创新实验室),福建 福州 350108)
LED 作为固态光源,在信息显示、通信、农业、医学等领域具有广泛的应用前景[1-2]。最近,以LED为基础的新型显示技术广泛应用于车辆显示器、智能手机、微型投影仪、超高清电视、数码相机等先进设备[3-8],具有千亿美元级别的市场规模,是中国战略性高新科技领域的基础性产业[9]。因此,基于LED 的显示技术被认为是未来显示中最具潜力的创新技术。
随着LED 显示技术的发展,交流驱动LED 获得了广泛的关注。例如,基于惠斯通和梯形桥电路所设计的LED 芯片在交流模式下具有良好的性能,有望作为低功耗显示器的背光源[10-11]。Shin 等[12]提出了一种交流模式下LED 的热表征方法,这对评估LED 封装性能具有指导作用。冯伟峰等[13]证实了LED 在矩形电流模式下具有最高的光输出,该电流模式有希望作为低功耗显示器的驱动模式。因此,交流驱动LED 的发展将促进设备性能的提升和增加LED 的应用价值。此外,先进发光、显示技术推动了高频驱动LED 的发展[14-19]。例如,基于Micro-LED 显示器可以为每个像素提供数字控制驱动器,从而实现480 帧速率投射图案[14]。Tokimoto 等[15-16]提出了一种超高帧速率的LED 显示架构,进而制造出4320 帧速率的显示屏。通过使用切换频率为兆赫兹的LED,满足超高分辨率显微镜对照明光源的需求[17-18]。尽管高频驱动LED 是一个新兴的研究方向,但是有关LED 发光强度与频率的关系研究较少。因此,揭示驱动频率对交流模式下LED 发光强度的影响具有重要意义。
本项工作中使用具有宽禁带、高电子漂移速率、化学稳定性强的GaN-LED[20-21]作为发射体,研究方波交流电压下LED 发光强度的频率响应特性。研究表明,发光强度波形与电压波形存在迟滞时间,并且随着频率的增大,迟滞时间维持在27 ns 附近。此外,交流驱动频率范围内(100 kHz～ 50 MHz)发光强度呈现四个不同的区域: 即随着频率的升高,LED 发光强度先保持稳定,随后下降,再次上升,最后衰减直至停止工作。其中,串联电阻会引起四个区域的改变。本文阐述了随着驱动频率的增加,形成四个区域的原因是电子和空穴的扩散系数不同,导致电子和空穴在多量子阱区域的浓度变化存在显著差异,从而引起复合区域的改变。
实验使用的GaN-LED(购买自福建兆元光电有限公司)从上到下的主要结构包括了p-GaN(300 nm)、AlGaN 层(30 nm)、多量子阱(200 nm)、n-GaN(2.4 μm)、GaN 半导体层(2.3 μm)和GaN 缓冲层(30 nm)等。p-GaN 和AlGaN 都采用了Mg 进行掺杂,掺杂浓度为7×1017cm-3。n-GaN 采用了Si 进行掺杂,掺杂浓度为5×1018cm-3。多量子阱的结构从上到下包括了In0.15Ga0.85N(5 nm)/GaN(15 nm,5 组)和In0.15Ga0.85N(5 nm)/InxGa1-xN (15 nm,x=0.01～0.05,5 组),其中5 组表示使用该结构重复了五次,如图1(a)所示。由函数信号发生器(RIGOL DG5352)产生的方波交流电压驱动GaN-LED,驱动电压为6 V,驱动频率为100 kHz～50 MHz。所用方波的正向幅值为+3 V,负向幅值为-3 V。用+3 V 进行测试是因为GaN-LED 在+3 V 电压下已经具有较高的发光强度。考虑到LED 阵列在实际应用中会出现比较复杂的串并联结构[10-11],这会造成部分LED 处于+3 V 偏压时,另外部分的LED 会处于-3 V 偏压。因此,最终情况是LED 会工作在-3 V 到+3 V。因此,选择从-3 V 到+3 V 测试LED。使用光电探测器(THORLABS S120-FC)采集LED 发光强度。使用示波器(RIGOL DS7024)记录LED 发光强度和施加电压。所有测量均在室温无外界环境光条件下进行。
由图1(b)可知,当1 MHz 的方波电压施加在LED 两端时,观测到发光强度波形与电压波形存在迟滞时间约为27 ns。虽然迟滞时间很小,但表明了发光强度波形会滞后电压波形。此外,依据器件的工作机制可知,LED 处于正向偏置会降低器件内部的势垒高度,引起多数载流子向量子阱扩散,从而实现电子和空穴在多量子阱中相遇和辐射复合。然而,由于器件内载流子从扩散到复合产生光子需一定的时长,这造成了两个波形不在同一时刻产生。因此,迟滞时间与载流子的扩散和复合有关,对迟滞时间内LED 的发光强度展开分析,如图1(c)所示。在T=0 时LED 处于正向偏置,器件内电子和空穴开始向多量子阱内移动;随后在T1时刻,部分的载流子填充到量子阱中,另一部分载流子继续扩散;直至T2时刻载流子填充到各个量子阱内以辐射复合的方式产生光子。
图1 (a) GaN-LED 的结构示意图;(b) 发光峰与电压的波形图;(c) 发光机理示意图Fig.1 (a)Schematic diagram of GaN-LED;(b) Waveforms of luminescence and voltage;(c) Schematic diagrams showing the working mechanism
为了解迟滞时间与驱动频率的关系,分析了不同频率下发光强度波形与电压波形的时延,如图2(a)～(d)所示。在不同的频率中观测到发光强度波形始终滞后于电压波形,两个波形的迟滞时间均在26～28 ns范围内。因此,可以认为该迟滞时间与频率无显著的对应关系。载流子的扩散和复合是造成该迟滞的更重要因素。当载流子的扩散系数和复合机率增大时,迟滞时间将减小。根据以上分析,在高频LED 的驱动设计中要确保正电压脉冲的持续时间大于该迟滞时间,否则会导致LED 的发光亮度达不到预期值。
图2 不同频率下发光峰与电压的波形图Fig.2 Waveforms of luminescence and voltage at different frequencies
尽管提高驱动频率对迟滞时间无显著影响,但LED 发光强度会产生较大的变化,如图3 所示。在交流频率范围内,发光强度呈现四个不同的区域。即:在较低频率范围内(Ⅰ区域),发光强度基本不变,称为稳定区;随着频率增大,器件进入到Ⅱ区域中,发光强度不断降低,称为下降区;当频率进一步增大到Ⅲ区域内,发光强度有所升高,称为回升区;当器件工作在Ⅳ区域中,发光强度大幅度降低,称为衰减区。随着频率的增加,发光强度呈现四个区域的原因是电子和空穴的扩散系数不同[22-23],导致电子和空穴在多量子阱区域的浓度变化存在显著差异,从而引起复合区域的改变。此外,由图3 可知频率低于12 MHz 时,LED 发光强度保持相对稳定。
图3 LED 发光强度与频率关系Fig.3 Luminescence intensity-frequency relationship
由于GaN-LED 发光强度取决于注入到多量子阱内的载流子数量,而注入的载流子数量与LED 两端电压有关。因此,为了研究LED 两端电压对高频驱动下LED 发光强度的影响,通过串联不同阻值的金属膜电阻进行分压测试。由图4 可知,对于串联电阻为100 Ω 的LED,其发光强度下降区起始于7 MHz,这小于无电阻LED 发光强度的下降区起始频率(12 MHz),此外存在回升区,只是无法恢复到初始的发光强度。对于串联电阻为1000 Ω 的LED,其发光强度仅存在稳定区和衰减区,并且从频率为1 MHz 开始急剧衰减。实验结果表明了调整电阻阻值会改变四个区域的产生以及消失,造成该现象的原因是串联低功率的有感电阻。该电阻阻值取决于沉积在瓷管上槽的圈数,这会导致不同阻值的电阻感抗存在差异。此外,感抗随着频率的升高而不断增大[24],进而降低LED 两端电压。因此,高频交流电压驱动LED 时,不能采用低功率的金属膜电阻进行分压。这是因为金属膜电阻会给LED驱动回路引入感抗,显著影响LED 的高频特性。
图4 不同串联电阻下LED 发光强度-频率关系Fig.4 Luminescence intensity-frequency relationship with different series resistances
由上述研究可知,LED 发光强度随着频率的升高会形成四个区域,造成该现象的原因是电子和空穴扩散系数不同导致复合区域的转变。在此基础上,通过扩散系数相关的公式进一步了解复合区域的转变。其中扩散系数与迁移率有关,迁移率可由公式(1)得出:
式中:q是电子电荷;ln是电子平均自由程;是电子有效质量;k0是玻尔兹曼常数;T是热力学温度。因而扩散系数可用公式(2)得出:
式中:Dn是电子扩散系数。研究表明GaN 中空穴最大迁移速率为13 cm2/(V·s),电子最大迁移速率为1350 cm2/(V·s)[25],通过公式(2)可以得出Dn大约是Dp的100 倍。尽管对GaN 进行不同浓度的掺杂会改变载流子的扩散系数,但GaN-LED 内部的Dn始终大于Dp。因此,在电压驱动下LED 内部的电子会比空穴更快扩散到多量子阱内。这会造成电子和空穴在多量子阱中分布不均。此外,提高频率会降低载流子扩散时间,加剧多量子阱内载流子分布不均,从而引起复合区域的改变。因此,LED 发光强度随频率的增大会呈现四个区域。
GaN-LED 在四个区域中的载流子传输如图5 所示。在较低的频率范围内(稳定区),外部电路的载流子不断注入到LED 两端,并且电子和空穴分别从n-GaN 和p-GaN 向多量子阱内扩散,如图5(a)所示。由于扩散时间充足,电子和空穴可以扩散到每个量子阱中,进而LED 发光强度取决于多量子阱中参与辐射复合的载流子数量。随着频率升高,器件进入到下降区会导致交流电压正周期下降,从而缩短了载流子扩散的距离。扩散系数较小的空穴已无法扩散到靠近n-GaN 端的量子阱中,如图5(b)所示。在多量子阱中,参与辐射复合的载流子数量因空穴数量的下降而减少,进而降低LED 发光亮度。当频率进一步升高,交流电压周期继续下降,导致载流子的扩散距离缩短。造成空穴主要分布在多量子阱中间区域和p-GaN 端附近的量子阱内,进而载流子的复合区域集中在空穴分布的量子阱中,如图5(c)所示。虽然复合区域转变为靠近p-GaN 附近的量子阱中,但研究表明载流子复合概率最大的地方位于靠近p-GaN 端的量子阱内[26]。此外,靠近p-GaN 端的量子阱辐射复合速率约为2.6×1027cm-3·s-1,这是靠近n-GaN 端量子阱复合速率的二十倍[27-28]。因此,尽管此时位于多量子阱中的载流子数量较低频时少,但由于靠近p-GaN 端的量子阱内电子和空穴辐射复合效率高,从而引起LED 发光强度的升高(此时器件工作在回升区)。当器件工作在衰减区内,由于交流电压周期进一步下降,扩散系数较大的电子已无法扩散到靠近p-GaN 端的量子阱中,如图5(d)所示。虽然电子和空穴的复合主要集中在靠近p-GaN 端的量子阱内,但仅有极少的电子和空穴参与辐射复合,造成LED 发光强度大幅度的衰减。随着频率进一步增大,电子和空穴已无法在量子阱内相遇并复合,发光停止。上述分析表明了提高频率会改变载流子的复合区域,造成LED 发光强度呈现四个不同的区域。
图5 电子空穴传输示意图。(a)稳定区;(b)下降区;(c)回升区;(d)衰减区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
本文研究了方波交流电压下GaN-LED 发光强度的频率响应特性。实验结果表明,电压正周期中LED发光强度波形与电压波形存在一定的延迟,迟滞时间维持在27 ns 左右,且不随频率变化。此外,在交流驱动频率范围内(100 kHz～ 50 MHz),观测到LED 发光强度随着频率的升高,先保持稳定,随后下降,再次上升,最后衰减直至停止工作,呈现四个不同的区域。而串联不同阻值电阻会导致四个区域的改变。随着驱动频率的增加,形成四个光强响应区域的原因是由于电子和空穴的扩散系数不同,导致电子和空穴在多量子阱区域的浓度变化存在显著差异,从而引起复合区域的变化。本工作有望为基于LED 的超高帧速率显示器件驱动设计提供依据。
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