這些LED通常由具有InGaN、InAlGaN以及p-GaN等具有多種GaN衍生物組成，為了進(jìn)一步提高其光輸出功率，必須克服現(xiàn)有的GaN基 LED中的一些缺點(diǎn)，如AlGaN層中材料質(zhì)量不高、電流擴(kuò)散不完全、p-GaN接觸層中的高光吸收以及高電流誘發(fā)的降解現(xiàn)象等。

雖然科學(xué)家們提出了許多新穎的制備策略，例如改變幾何設(shè)計(jì)、引入光子晶體結(jié)構(gòu)等，試圖通過電荷載流子限制機(jī)制來提高整體效率，但其中很多都未能充分改善光輸出性能。

近日，臺(tái)灣的科學(xué)家們提出了一種增強(qiáng)GaN LED光輸出功率的策略，其使用石墨烯量子點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)GaN LED的光子回收，從而大大提高了GaN LED的光輸出功率。相關(guān)研究成果發(fā)表在近期的Nature旗下Scientific Reports期刊上。(“Enhanced Performance of GaN-based Ultraviolet Light Emitting Diodes by Photon Recycling Using Graphene Quantum Dots”)

石墨烯量子點(diǎn)“披風(fēng)”可讓GaN紫外LED性能提升71%！

在GaN LED的結(jié)構(gòu)中，光子由于其比較大的折射率而被折射到逃逸錐的外部。這些光子的發(fā)射導(dǎo)致發(fā)射光的損失，因此可利用的光也隨之減少。

“光子回收”是一種有效提高光利用效率的方式，其重新捕獲從逸出錐發(fā)射的光子，并將其重新發(fā)射回逃逸錐有源層。該過程可以增加LED的總體光利用效率，然而，在諸如GaN的量子阱結(jié)構(gòu)的研究中，這些效應(yīng)很少被報(bào)道，這也是為什么研究人員選擇將石墨烯量子點(diǎn)并入LED中的原因。

 (?Chung Yuan Christian University)

InGaN / InAlGaN紫外LED示意圖

研究人員通過使用改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積（CVD）方法在藍(lán)寶石襯底上生長UV LED，從而形成多個(gè)量子阱層。而石墨烯量子點(diǎn)則用激光蝕刻法制備，隨后沉積在InGaN / InAlGaN層狀結(jié)構(gòu)的頂部，其濃度為0.9mg / ml，平均直徑為3.5nm。

為了表征這種新型LED，研究人員使用了一系列研究手段，包括透射電子顯微鏡（TEM）、時(shí)間分辨光致發(fā)光光譜（PL）、原子力顯微鏡（AFM，PSIA XE-100）以及UV-Vis光譜。此外，研究人員還使用數(shù)字源表測量了電流電壓特征，使用光譜儀、光電倍增管表征了光輸出電流特征。

研究人員解釋道：“當(dāng)增加沉積在器件頂部的石墨烯量子點(diǎn)濃度時(shí)，LED內(nèi)的發(fā)射光，即LED內(nèi)的串聯(lián)電阻也隨之增加。而減少其濃度時(shí)，我們觀察到發(fā)射光也相應(yīng)的下降，表明LED的發(fā)射光與石墨烯量子點(diǎn)濃度呈正比。當(dāng)石墨烯濃度為0.9mg/ml時(shí)，這種LED的光輸出功率達(dá)到最大，增大了約71%?！?/strong>

（?Chung Yuan Christian University）

有無石墨烯量子點(diǎn)沉積的InGaN / InAlGaN UV LED中的光子路徑示意圖

這種LED器件性能的顯著改進(jìn)，主要?dú)w功于其通過從波導(dǎo)模式中提取光子實(shí)現(xiàn)了光子回收；此外，由于發(fā)射電荷載體的轉(zhuǎn)移被石墨烯量子點(diǎn)所捕獲，其被返回到GaN層內(nèi)逃逸錐的有源層中。

作者表示：