1引言

　　基于芋族氮化物材料体系的发光二极管(LED)具有能耗低、寿命长、体积小、环保等诸多优点,已经被广泛应用在许多商业领域,包括全彩色显示、交通灯、液晶显示器背光以及白光照明等。目前,LED 正在朝着大功率的方向发展。当LED 工作在大电流密度下(电流密度高于10 A/ cm2)时,LED 的内量子效率将显著下降,该现象被称为效率下垂效应( Efficiencydroop) 。效率下垂效应的物理机制目前仍存在争议,一些研究证明效率下垂效应是由于温度造成的。

　　为进一步研究效率下垂效应与温度的依赖关系,改善LED 的量子效率与性能,很多研究者进行了温度对LED 性能影响的研究工作,并验证了温度对LED 性能影响的重要性。Wang 等研究了在不同的量子阱宽度下,温度对InGaN/ GaN 多量子阱LED 电致发光效率的影响,发现达到最高电致发光效率时的注入电流强烈地依赖于势阱宽度和温度。Huh 等研究了不同的In 浓度下InGaN/ GaN多量子阱LED 的光特性和电特性,并指出In 浓度对LED 光效的影响强烈依赖于温度。其他的研究也证明了温度对LED 性能有强烈的影响。然而,这些模型都是基于等温模型的。Efremov 等利用热阻模型研究了温度、注入电流、热沉的材料及尺寸对LED 光效的影响,指出温度严重影响了载流子向量子阱中的注入率,在良好的冷却条件下,工作电流可以提高5 ~7倍;但模型中假设芯片中的电流分布均匀,忽略了热量在活性区内的传递与扩散。Lee 等的工作虽然包含能量方程,但是内热源强度通过宏观实验测量来获得,没有耦合载流子的微观效应。

　　总之,上述研究都没有考虑载流子的输运复合机制与LED 内部的非均匀温度场耦合。实际上,LED 工作时载流子在LED 内部的输运及复合决定了芯片的内热源,导致LED 内部存在显著的温度梯度。另一方面,载流子的扩散系数、迁移率、输运、复合以及能带结构等都受内部温度的影响,两者具有强烈的耦合效应。根据Wang 等[16]建立的非等温耦合模型,大电流密度下芯片内部存在显著温差,等温模型和非等温模型下芯片的性能差异显著,等温模型无法准确预测芯片内量子效率、光谱特性、光电转换效率等性能。因此利用耦合模型来研究LED 性能是非常必要的在LED 结构中,发光层只有几个微米,而衬底的厚度在几十到几百个微米,不同衬底的导热系数等物性参数差异显著 ,对LED 内部的温度场起决定作用。鉴于此,本文在3 种不同的衬底下利用非等温模型研究不同衬底LED 的性能,揭示了衬底对LED 性能的影响。

　　2数学模型、芯片结构与参数

　　图1 为芯片结构示意图。本文设计了3 种芯片结构,分别记为芯片A、B 和C。3 种芯片只有衬底部分不同,芯片A 衬底为蓝宝石,芯片B 为Si,芯片C 为SiC。厚100 滋m 的衬底上生长有50nm 未掺杂的GaN 缓冲层,其上生长3 滋m 的n-GaN 层(掺杂浓度为5 伊1018 cm-3 ),活性区是5个周期的In0. 11 Ga0. 89 N/ GaN 多量子阱(MQW)结构,垒(Barrier)厚15 nm,阱(Well)厚2. 2 nm。活性区上是一层50 nm 厚的p-Al0. 2Ga0. 8N 电子阻挡层(EBL),p 型掺杂浓度为1 伊1018 cm-3。最后生长0. 25 滋m 的p-GaN 层(掺杂浓度为1. 2 伊1018cm-3),衬底宽度300 滋m,活性区宽度200 滋m。n 型电极和p 型电极的宽度分别为50 滋m 和80 滋m。