王中林院士Nano Lett.：由压电-光电子效应驱动的发光效率高且衰退低的GaN基紫外发光二极管

【引言】

Ⅲ-氮基紫外（UV）发光二极管（LEDs）由于在水处理、高密度光学数据存储、医用设备消毒以及生物成像领域的广泛应用而吸引了研究者极大的关注。尽管Ⅲ-氮基LEDs已经商业化并且大量使用在逆光和一般照明中，但是量子效率的增强和光输出效率的提高仍然是进一步降低成本同时扩大其应用范围的必要条件。特别的是，UV LED光源相对较低的量子效率仍然远远落后于处于可见光区的器件。理想情况下，增加的电流注入能够促进内量子效率（IQE）以及LEDs的光输出效率。然而，这一降低成本的直接方法由于称为“量子效率降低”现象的存在而使得在高电流密度下IQE会降低。因此，找到解决“量子效率降低”现象的方法就成为了当务之急。

【成果简介】

近日，来自佐治亚理工学院、中科院国家纳米科学中心的王中林院士和华南师范大学的李述体研究员（共同通讯）等人对GaN基紫外发光二极管进行了研究，所得器件不仅具有增强的发光效率，同时抑制了量子效率降低的现象。相关研究成果以“Simultaneously Enhancing Light Emission and Suppressing Efficiency Droop in GaN Microwire-Based Ultraviolet Light-Emitting Diode by the Piezo-Phototronic Effect”为题发表在了2017年5月10 日的Nano Letters上。

实验中得到了同质的GaN p-n结Ⅲ-氮基发光二极管，并证实了在压电-光电子效应作用下GaN纳米线基p-n结紫外发光二极管的发光效率较高且量子效率衰减被抑制。通过施加-0.12%的垂直于p-n结界面的静电压缩形变，LED的相对外量子效率增强超过了600%，同时，量子效率衰减从46.6%降低到7.5%，对应的起始电流密度移动从10转移到26.7A cm^-1。文中还从理论上证实了由压电-光电子效应引起的增强的电子束缚和空穴注入的提高。

【图文导读】

图1 GaN纳米线基LEDs的一般表征

（a）GaN纳米线的原子结构模型（a1）和LED的示意图（a2）

（b）GaN纳米线末端的光发射

（c）LED的I-V特性曲线

（d）GaN纳米线基LED的室温-电致发光（EL）光谱和对应的EL光谱的高斯函数峰反卷积曲线

图2 压电-光电子效应引起的增强的发光强度

（a）压缩形变下表征GaN纳米线基LED性能的自制测试系统示意图

（b）不同压缩形变下施加正向偏压时LED的I-V曲线

（c）不同压缩形变下20 μA注入电流时LED的光学光谱图和对应的不同外加应变下纳米线的CCD图像

（d）在逐渐增加的压缩应变下LED的整合EL强度（品红）和相对EQE（蓝色）的变化

图3 由压电-光电子效应引起的对量子效率下降的抑制

（a）不同电流密度时在持续（左）和脉冲（右）模式下的EL光谱

（b）在持续（品红）和脉冲（蓝色）模式下持续增加注入电流密度时峰值波长的变化

（c）不同压缩应力下每一注入电流密度（J）点通过Ψ/J表现出的LED的相对EQE(η_ex)

（d）量子效率衰减起始电流密度和效率降低值相对于外部张力的变化

（e）在每一注入电流密度条件下η_ex的相对变化

图4 理论模拟结果及物理机制

（a）在-0.12%压缩应变下压电电势的整体分布

（b）穿过LED垂直于p-n结界面的压电电势值

（c）LED器件在无应变（左）和压缩应变（右）条件下压电电势的产生和对应的能带结构

【小结】

本文将压电-光电子效应应用在了GaN纳米线基p-n同质结发光二极管中，所得器件具有增强的量子效率的同时其量子效率衰减得到了抑制。通过对p-n结施加压缩应变可以使LED的EQE增强超过600%，而且量子效率衰减降低。文中还对其中的物理机制进行了详细讨论和描述。本文的工作不仅对压电-光电子效应在p-n同质结中的作用有了深刻的理解，而且为发展高效、发光强度高以及高功率的III-氮可见/紫外发光二极管提供了一种新颖的方法。

文献链接：Simultaneously Enhancing Light Emission and Suppressing Efficiency Droop in GaN Microwire-Based Ultraviolet Light-Emitting Diode by the Piezo-Phototronic Effect（Nano Lett., 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b01004）

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