石墨烯量子点“披风”可让GaN紫外LED性能提升71%！

这些LED通常由具有InGaN、InAlGaN以及p-GaN等具有多种GaN衍生物组成，为了进一步提高其光输出功率，必须克服现有的GaN基 LED中的一些缺点，如AlGaN层中材料质量不高、电流扩散不完全、p-GaN接触层中的高光吸收以及高电流诱发的降解现象等。

虽然科学家们提出了许多新颖的制备策略，例如改变几何设计、引入光子晶体结构等，试图通过电荷载流子限制机制来提高整体效率，但其中很多都未能充分改善光输出性能。

近日，台湾的科学家们提出了一种增强GaN LED光输出功率的策略，其使用石墨烯量子点来实现GaN LED的光子回收，从而大大提高了GaN LED的光输出功率。相关研究成果发表在近期的Nature旗下Scientific Reports期刊上。(“Enhanced Performance of GaN-based Ultraviolet Light Emitting Diodes by Photon Recycling Using Graphene Quantum Dots”)

石墨烯量子点“披风”可让GaN紫外LED性能提升71%！

在GaN LED的结构中，光子由于其比较大的折射率而被折射到逃逸锥的外部。这些光子的发射导致发射光的损失，因此可利用的光也随之减少。

“光子回收”是一种有效提高光利用效率的方式，其重新捕获从逸出锥发射的光子，并将其重新发射回逃逸锥有源层。该过程可以增加LED的总体光利用效率，然而，在诸如GaN的量子阱结构的研究中，这些效应很少被报道，这也是为什么研究人员选择将石墨烯量子点并入LED中的原因。

 (©Chung Yuan Christian University)

InGaN / InAlGaN紫外LED示意图

研究人员通过使用改进的化学气相沉积（CVD）方法在蓝宝石衬底上生长UV LED，从而形成多个量子阱层。而石墨烯量子点则用激光蚀刻法制备，随后沉积在InGaN / InAlGaN层状结构的顶部，其浓度为0.9mg / ml，平均直径为3.5nm。

为了表征这种新型LED，研究人员使用了一系列研究手段，包括透射电子显微镜（TEM）、时间分辨光致发光光谱（PL）、原子力显微镜（AFM，PSIA XE-100）以及UV-Vis光谱。此外，研究人员还使用数字源表测量了电流电压特征，使用光谱仪、光电倍增管表征了光输出电流特征。

由于石墨烯量子点具有很高的光吸收性能，加入石墨烯量子点后UV-LED的光学和电学性能也得到了改善。在将其结合到LED表面上时，该器件实现了电致发光（高达71％）的增强和串联电阻的降低（高达15.5％）。

研究人员解释道：“当增加沉积在器件顶部的石墨烯量子点浓度时，LED内的发射光，即LED内的串联电阻也随之增加。而减少其浓度时，我们观察到发射光也相应的下降，表明LED的发射光与石墨烯量子点浓度呈正比。当石墨烯浓度为0.9mg/ml时，这种LED的光输出功率达到最大，增大了约71%。”

（©Chung Yuan Christian University）

有无石墨烯量子点沉积的InGaN / InAlGaN UV LED中的光子路径示意图

这种LED器件性能的显著改进，主要归功于其通过从波导模式中提取光子实现了光子回收；此外，由于发射电荷载体的转移被石墨烯量子点所捕获，其被返回到GaN层内逃逸锥的有源层中。

作者表示：

“我们的研究为目前GaN UV-LED中存在的一些问题提供了一个可行的解决方案，我们的方案允许在GaN UV-LED中使用光子回收过程，与现有的GaN UV-LED相比，其更加高效、缺陷更少。”

来源: Liam Critchley/azonano