中民研究院常务副院长闫春辉博士：维持Haitz定律：超高电流密度下改善高功率

广东中民工业技术创新研究院有限公司常务副院长闫春辉博士

LED的Droop效应是指向芯片输入较大电力时LED的光效反而会降低的现象。Droop效应决定了单个LED所能工作的最大电流，因而要实现大光通量必须采用多颗LED或多芯片，或者通过采用增加芯片面积的方式而减少电流密度的方法，这就会导致高功率LED器件的成本大幅增加。在LED业界和学术界，Droop效应一直是大家争相研究和攻克的技术难题。

期间，“SSLCHINA 2021：半导体照明芯片、封装、模组及可靠性”分论坛由广东中民工业技术创新研究院有限公司、旭宇光电（深圳）股份有限公司、有研稀土新材料股份有限公司、江苏博睿光电有限公司联合协办支持。会上，广东中民工业技术创新研究院有限公司常务副院长闫春辉博士现场介绍了“维持Haitz定律：超高电流密度下改善高功率GaN基LED的Droop效应”最新研究成果报告。

为了进一步降低固态照明的流明成本，即维持Haitz定律，最有效的技术方法是1）增加LED工作电流密度从而提高输出功率密度，以及2）提高墙插效率(WPE) 处于高电流水平。在这项工作中，系统研究了在微观和宏观尺度上提高电流扩展均匀性，以及载流子注入、载流子复合，以提高工作电流和高注入水平的 WPE。

氮化物 LED 最关键的问题之一是Droop效应，即 LED 效率随着注入电流的增加而迅速下降，从而使光输出功率饱和，过多的电能主要转化为热量。影响Droop效应的因素比较复杂，一般可分为非热Droop和热Droop两大类。非热衰减本质上描述了载流子浓度升高时非辐射过程的控制，包括电子溢出、俄歇复合和空穴注入不足。热衰减与高电流下的结温升高有关，因为辐射复合率、Shockley-Read-Hall 复合率和热离子载流子逃逸率随温度变化。发射波长的红移通常被认为是热效应的特征，因为 InGaN/GaN MQWs 的带隙在高结温下随着晶格常数相应扩大而减小。

在本报告中，从电学、光学和热学特性方面系统地研究了具有不同电流扩展设计的器件的下垂效应。芯片面积是固定的，而电流传输长度（即 p 和 n 指形电极距离）通过改变手指数量连续调节。通过将给定器件面积的横向电流传输长度从 95靘 减少到 35靘，可以显着减轻效率下降，因为 150 A/cm2 的 WPE 增加了 64%。随着饱和电流密度从 155 增加到 292 A/cm2，相应的峰值功率密度从 151 增加到 245 W/cm2，器件的电流容限得到显着提高。同时，随着芯片表面温度的显着降低，散热得到改善。

在这项工作中，我们进一步研究了对具有不同 In 成分的 GaN/InGaN LED 的Droop效应，即 In0.24（绿色，525 nm）、In0.16（蓝色，450 nm）和 In0.08（UVA，395纳米) LED。与绿色和蓝色器件相比，UVA 器件中 In 成分较低的器件中的下垂缓解效应被发现具有更大的优势，因为 UVA 器件本身在 EQE 峰值附近具有非常平坦的Droop效应特征，但在高注入时具有不良的热Droop效应，并且策略的补充目标是提高电流均匀性并减少高注入时的热量。修改后，In0.1-device 的Droop效应显着降低，In0.1、In0.16 和 In0.24 LED 在 300 A/cm2 下的下垂百分比分别为 22.8%、35.4% 和 50.5%。

（内容根据现场资料整理，如有出入敬请谅解）