多場(chǎng)耦合下氮化物紫外LED退化機(jī)制的深度剖析與研究一、引言1.1研究背景與意義隨著科技的飛速發(fā)展，氮化物紫外發(fā)光二極管（UV-LED）憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。UV-LED是基于Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體材料制成的，其發(fā)光波長(zhǎng)覆蓋了長(zhǎng)波紫外線（UVA，315-400nm）、中波紫外線（UVB，280-315nm）至短波紫外線（UVC，210-280nm）波段。與傳統(tǒng)的紫外光源如汞燈相比，氮化物紫外LED具有體積小、重量輕、易于集成、響應(yīng)速度快、能耗低、環(huán)保無汞等顯著優(yōu)點(diǎn)。在工業(yè)領(lǐng)域，它可用于光固化，能夠快速固化涂料、油墨和膠粘劑等，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量；在環(huán)境領(lǐng)域，可用于水和空氣的凈化，通過紫外線的照射分解有害污染物；在醫(yī)療領(lǐng)域，可用于殺菌消毒，有效殺滅細(xì)菌、病毒等微生物，保障醫(yī)療環(huán)境的安全；在生化探測(cè)領(lǐng)域，可用于生物分子的檢測(cè)和分析，助力疾病診斷和藥物研發(fā)。在軍事領(lǐng)域，可應(yīng)用于夜視系統(tǒng)、隱身技術(shù)、敵我識(shí)別等方面，為軍事行動(dòng)提供支持。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，氮化物紫外LED不可避免地會(huì)受到電場(chǎng)、熱場(chǎng)及輻射場(chǎng)等多種外界因素的影響，這些因素會(huì)導(dǎo)致器件性能下降，甚至失效，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用范圍和使用壽命。當(dāng)?shù)镒贤釲ED工作時(shí)，內(nèi)部會(huì)形成電場(chǎng)，電場(chǎng)的存在會(huì)影響載流子的傳輸和復(fù)合過程。在高電場(chǎng)強(qiáng)度下，載流子可能會(huì)發(fā)生隧穿效應(yīng)，導(dǎo)致非輻射復(fù)合增加，從而降低發(fā)光效率。同時(shí)，電場(chǎng)還可能引起晶格畸變，進(jìn)一步影響器件的性能。在大功率應(yīng)用場(chǎng)景中，由于電光轉(zhuǎn)換效率有限，大部分輸入電能會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，使器件溫度升高。過高的溫度會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力產(chǎn)生，使材料晶格發(fā)生膨脹和收縮，從而在材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致材料性能下降。熱場(chǎng)還會(huì)影響載流子的遷移率和復(fù)合率，使發(fā)光效率降低，波長(zhǎng)發(fā)生漂移，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致器件燒毀。此外，在一些特殊環(huán)境下，如空間、核輻射環(huán)境等，氮化物紫外LED會(huì)受到各種輻射的影響，如高能粒子輻射、γ射線輻射等。輻射會(huì)在材料內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，這些缺陷會(huì)成為載流子的復(fù)合中心，降低載流子的壽命，從而影響器件的發(fā)光效率和穩(wěn)定性。輻射還可能導(dǎo)致材料的電學(xué)性能發(fā)生變化，進(jìn)一步影響器件的工作性能。深入研究電場(chǎng)、熱場(chǎng)及輻射場(chǎng)作用下氮化物紫外LED的退化機(jī)制具有至關(guān)重要的意義。通過對(duì)退化機(jī)制的研究，我們可以深入了解器件性能下降的根本原因，從而為優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和制備工藝提供理論依據(jù)。在器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，可以根據(jù)退化機(jī)制研究結(jié)果，優(yōu)化量子阱結(jié)構(gòu)、電子阻擋層和空穴注入層的設(shè)計(jì)，提高載流子的注入效率和復(fù)合效率，減少非輻射復(fù)合。在制備工藝方面，可以改進(jìn)材料的生長(zhǎng)工藝和摻雜工藝，降低材料中的缺陷密度，提高材料的質(zhì)量和穩(wěn)定性。對(duì)退化機(jī)制的研究還有助于開發(fā)新型的材料和結(jié)構(gòu)，以提高氮化物紫外LED的性能和抗退化能力?？梢蕴剿餍滦偷牡锊牧象w系，如AlGaN合金材料，通過調(diào)整合金的組分和結(jié)構(gòu)，提高材料的熱穩(wěn)定性和抗輻射性能。還可以研究新型的器件結(jié)構(gòu)，如垂直結(jié)構(gòu)、倒裝芯片結(jié)構(gòu)等，改善器件的散熱性能和電學(xué)性能。研究退化機(jī)制還可以為器件的可靠性評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)提供方法和模型，為實(shí)際應(yīng)用提供有力的技術(shù)支持，從而推動(dòng)氮化物紫外LED在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在電場(chǎng)作用下氮化物紫外LED退化機(jī)制的研究方面，國內(nèi)外學(xué)者已取得了一系列重要成果。美國的研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)和理論模擬相結(jié)合的方法，深入研究了電場(chǎng)對(duì)氮化物紫外LED載流子傳輸和復(fù)合的影響。他們發(fā)現(xiàn)，高電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致載流子的隧穿效應(yīng)增強(qiáng)，使得非輻射復(fù)合增加，從而降低器件的發(fā)光效率。國內(nèi)的研究人員也對(duì)電場(chǎng)引起的晶格畸變進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)晶格畸變會(huì)改變材料的能帶結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響器件的電學(xué)和光學(xué)性能。然而，目前對(duì)于電場(chǎng)作用下缺陷的產(chǎn)生和演化機(jī)制仍缺乏深入理解，不同電場(chǎng)條件下器件性能的長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究也相對(duì)較少。熱場(chǎng)對(duì)氮化物紫外LED性能影響的研究同樣備受關(guān)注。日本的科研人員通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬，詳細(xì)分析了熱場(chǎng)作用下材料的熱應(yīng)力分布以及對(duì)器件性能的影響。他們發(fā)現(xiàn)，過高的溫度會(huì)導(dǎo)致材料晶格膨脹和收縮不一致，產(chǎn)生熱應(yīng)力，進(jìn)而引起材料性能下降。國內(nèi)有團(tuán)隊(duì)對(duì)熱場(chǎng)影響載流子遷移率和復(fù)合率的機(jī)制進(jìn)行了研究，提出了通過優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)來降低熱場(chǎng)影響的方法。但在如何精確控制熱場(chǎng)分布，以及熱場(chǎng)與其他因素（如電場(chǎng)、濕度等）協(xié)同作用下器件的退化機(jī)制方面，還需要進(jìn)一步深入研究。在輻射場(chǎng)作用下氮化物紫外LED的研究方面，國外科研人員利用粒子加速器等設(shè)備，對(duì)氮化物紫外LED進(jìn)行輻射實(shí)驗(yàn)，研究輻射對(duì)材料內(nèi)部缺陷產(chǎn)生和性能變化的影響。他們發(fā)現(xiàn)，輻射會(huì)在材料內(nèi)部產(chǎn)生各種缺陷，這些缺陷會(huì)成為載流子的復(fù)合中心，降低器件的發(fā)光效率和穩(wěn)定性。國內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)也開展了相關(guān)研究，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，揭示了輻射導(dǎo)致材料電學(xué)性能變化的機(jī)理。不過，目前對(duì)于不同類型輻射（如高能粒子輻射、γ射線輻射等）對(duì)器件性能影響的差異，以及如何有效提高器件的抗輻射能力等方面，仍存在許多亟待解決的問題。盡管國內(nèi)外在電場(chǎng)、熱場(chǎng)及輻射場(chǎng)作用下氮化物紫外LED退化機(jī)制的研究方面取得了一定進(jìn)展，但仍存在一些研究空白與不足。對(duì)于多場(chǎng)耦合（電場(chǎng)、熱場(chǎng)、輻射場(chǎng)同時(shí)作用）下的退化機(jī)制研究還相對(duì)較少，多場(chǎng)之間的相互作用關(guān)系和協(xié)同影響機(jī)制尚不明確?，F(xiàn)有的研究大多集中在單一因素對(duì)器件性能的短期影響，對(duì)于長(zhǎng)期服役條件下多因素綜合作用的研究還不夠深入，缺乏對(duì)器件長(zhǎng)期可靠性和壽命預(yù)測(cè)的有效方法。在實(shí)驗(yàn)研究方面，由于實(shí)驗(yàn)條件和測(cè)試手段的限制，一些微觀機(jī)制的研究還不夠準(zhǔn)確和全面，需要進(jìn)一步發(fā)展先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和測(cè)試方法來深入探究退化機(jī)制。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究旨在深入探究電場(chǎng)、熱場(chǎng)及輻射場(chǎng)作用下氮化物紫外LED的退化機(jī)制，為提高器件性能和可靠性提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。具體研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：電場(chǎng)作用下氮化物紫外LED的退化機(jī)制：深入研究電場(chǎng)對(duì)氮化物紫外LED載流子傳輸和復(fù)合過程的影響，包括載流子的隧穿效應(yīng)、遷移率變化等。分析電場(chǎng)導(dǎo)致晶格畸變的機(jī)理，以及晶格畸變對(duì)材料能帶結(jié)構(gòu)和器件性能的影響。研究電場(chǎng)作用下缺陷的產(chǎn)生和演化機(jī)制，以及缺陷對(duì)載流子壽命和發(fā)光效率的影響。熱場(chǎng)作用下氮化物紫外LED的退化機(jī)制：詳細(xì)分析熱場(chǎng)作用下材料的熱應(yīng)力分布，以及熱應(yīng)力對(duì)材料晶格結(jié)構(gòu)和性能的影響。研究熱場(chǎng)對(duì)載流子遷移率和復(fù)合率的影響機(jī)制，以及溫度對(duì)發(fā)光效率、波長(zhǎng)漂移等性能參數(shù)的影響。探討熱場(chǎng)與其他因素（如電場(chǎng)、濕度等）協(xié)同作用下器件的退化機(jī)制。輻射場(chǎng)作用下氮化物紫外LED的退化機(jī)制：研究不同類型輻射（如高能粒子輻射、γ射線輻射等）對(duì)氮化物紫外LED材料內(nèi)部缺陷產(chǎn)生和性能變化的影響。分析輻射導(dǎo)致材料電學(xué)性能變化的機(jī)理，以及缺陷對(duì)載流子復(fù)合和發(fā)光效率的影響。探索提高氮化物紫外LED抗輻射能力的方法和途徑。多場(chǎng)耦合作用下氮化物紫外LED的退化機(jī)制：研究電場(chǎng)、熱場(chǎng)和輻射場(chǎng)同時(shí)作用下，多場(chǎng)之間的相互作用關(guān)系和協(xié)同影響機(jī)制。建立多場(chǎng)耦合作用下氮化物紫外LED的退化模型，預(yù)測(cè)器件在復(fù)雜環(huán)境下的性能變化和壽命。為實(shí)現(xiàn)上述研究目標(biāo)，本研究將綜合運(yùn)用多種研究方法：實(shí)驗(yàn)研究：制備高質(zhì)量的氮化物紫外LED器件，通過設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)方案，模擬不同的電場(chǎng)、熱場(chǎng)和輻射場(chǎng)條件，對(duì)器件進(jìn)行性能測(cè)試和分析。利用先進(jìn)的測(cè)試設(shè)備，如光致發(fā)光光譜儀、電致發(fā)光光譜儀、X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡等，對(duì)器件的光學(xué)、電學(xué)和結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行全面表征。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，深入研究電場(chǎng)、熱場(chǎng)及輻射場(chǎng)作用下氮化物紫外LED的退化機(jī)制。理論分析：運(yùn)用半導(dǎo)體物理、固體物理等相關(guān)理論，建立氮化物紫外LED在電場(chǎng)、熱場(chǎng)及輻射場(chǎng)作用下的物理模型，分析載流子的傳輸、復(fù)合過程，以及材料的電學(xué)、光學(xué)性能變化。利用量子力學(xué)理論，研究電場(chǎng)作用下載流子的隧穿效應(yīng)和量子阱結(jié)構(gòu)的變化。通過理論計(jì)算，預(yù)測(cè)器件在不同場(chǎng)作用下的性能變化趨勢(shì)，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。數(shù)值模擬：采用有限元分析軟件、半導(dǎo)體器件模擬軟件等，對(duì)氮化物紫外LED在電場(chǎng)、熱場(chǎng)及輻射場(chǎng)作用下的性能進(jìn)行數(shù)值模擬。通過建立器件的三維模型，模擬不同場(chǎng)條件下器件內(nèi)部的電場(chǎng)分布、溫度分布、載流子濃度分布等。分析多場(chǎng)耦合作用下器件的性能變化，優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，提高器件的性能和抗退化能力。二、氮化物紫外LED的基本原理與結(jié)構(gòu)2.1工作原理氮化物紫外LED基于Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體材料，其核心的發(fā)光過程是基于半導(dǎo)體的電子與空穴復(fù)合原理。Ⅲ族氮化物主要包括氮化鎵（GaN）、氮化鋁（AlN）、氮化銦（InN）及其合金材料，這些材料具有寬禁帶特性，使得它們能夠發(fā)射出紫外光。在氮化物紫外LED中，通常采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）等技術(shù)在襯底上生長(zhǎng)多層結(jié)構(gòu)。器件主要由n型半導(dǎo)體層、有源層和p型半導(dǎo)體層組成。當(dāng)在器件兩端施加正向偏壓時(shí)，電子從n型半導(dǎo)體層注入到有源層，空穴從p型半導(dǎo)體層注入到有源層。在有源層中，電子和空穴具有不同的能量狀態(tài)，它們會(huì)在量子阱等結(jié)構(gòu)的作用下被限制在特定區(qū)域內(nèi)。由于量子限域效應(yīng)，電子和空穴的能量狀態(tài)發(fā)生量子化，形成離散的能級(jí)。當(dāng)電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)與空穴復(fù)合時(shí)，多余的能量會(huì)以光子的形式釋放出來。根據(jù)半導(dǎo)體物理理論，光子的能量E與波長(zhǎng)\lambda滿足關(guān)系E=hc/\lambda，其中h為普朗克常量，c為光速。對(duì)于氮化物紫外LED，由于其禁帶寬度較大，電子與空穴復(fù)合釋放的光子能量較高，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)處于紫外波段。例如，在AlGaN基紫外LED中，通過調(diào)整Al和Ga的組分比例，可以改變材料的禁帶寬度，從而調(diào)控發(fā)光波長(zhǎng)。當(dāng)Al組分增加時(shí)，禁帶寬度增大，發(fā)光波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)從長(zhǎng)波紫外到短波紫外的發(fā)光。在實(shí)際的器件工作過程中，并非所有注入的電子和空穴都會(huì)發(fā)生輻射復(fù)合發(fā)光。部分電子和空穴可能會(huì)通過非輻射復(fù)合的方式釋放能量，如通過缺陷態(tài)復(fù)合、俄歇復(fù)合等。這些非輻射復(fù)合過程會(huì)降低器件的發(fā)光效率，是需要在器件設(shè)計(jì)和制備過程中盡量抑制的。同時(shí)，載流子的注入效率、傳輸特性等也會(huì)影響器件的發(fā)光性能。如果載流子注入不均勻或者在傳輸過程中存在較大的損耗，都會(huì)導(dǎo)致參與復(fù)合的載流子數(shù)量減少，進(jìn)而降低發(fā)光效率。2.2結(jié)構(gòu)組成氮化物紫外LED的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，由多個(gè)功能層組成，各層結(jié)構(gòu)緊密協(xié)作，共同決定了器件的性能，以下將對(duì)各主要結(jié)構(gòu)及其作用進(jìn)行詳細(xì)分析。襯底：襯底是氮化物紫外LED生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，為整個(gè)器件提供物理支撐。常見的襯底材料包括藍(lán)寶石、碳化硅（SiC）、硅（Si）以及氮化鎵（GaN）同質(zhì)襯底等。不同的襯底材料具有各自獨(dú)特的特性，對(duì)器件性能有著顯著影響。藍(lán)寶石襯底因其成本較低、易于獲得且具有良好的絕緣性，在氮化物紫外LED制備中應(yīng)用廣泛。然而，藍(lán)寶石與氮化物材料之間存在較大的晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異，這會(huì)導(dǎo)致在生長(zhǎng)過程中產(chǎn)生較大的應(yīng)力，進(jìn)而引入位錯(cuò)等晶體缺陷，影響器件的性能。碳化硅襯底具有高的熱導(dǎo)率和良好的晶格匹配性，能夠有效改善器件的散熱性能和晶體質(zhì)量，減少缺陷密度，提高器件的發(fā)光效率和可靠性。但碳化硅襯底成本較高，制備工藝復(fù)雜，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。硅襯底具有成本低、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，在一定程度上能夠降低器件的制造成本。然而，硅與氮化物之間的晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異也較大，需要通過特殊的緩沖層結(jié)構(gòu)來緩解應(yīng)力，提高材料的生長(zhǎng)質(zhì)量。氮化鎵同質(zhì)襯底與氮化物外延層具有良好的晶格匹配和熱匹配性，能夠生長(zhǎng)出高質(zhì)量的氮化物外延層，減少缺陷密度，提高器件性能。但氮化鎵同質(zhì)襯底制備難度大，成本高昂，目前還難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。緩沖層：緩沖層位于襯底和外延層之間，起著至關(guān)重要的作用。其主要功能是緩解襯底與外延層之間由于晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異而產(chǎn)生的應(yīng)力，減少位錯(cuò)等缺陷的產(chǎn)生，提高外延層的晶體質(zhì)量。緩沖層可以阻止襯底中的雜質(zhì)和缺陷向外延層擴(kuò)散，從而改善外延層的電學(xué)和光學(xué)性能。通常采用低溫生長(zhǎng)的氮化鎵或氮化鋁等材料作為緩沖層，通過控制緩沖層的生長(zhǎng)條件和厚度，可以有效地調(diào)節(jié)應(yīng)力分布，優(yōu)化外延層的生長(zhǎng)質(zhì)量。在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)氮化物紫外LED時(shí)，先生長(zhǎng)一層低溫氮化鎵緩沖層，該緩沖層可以在一定程度上補(bǔ)償晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異，為后續(xù)高質(zhì)量外延層的生長(zhǎng)奠定基礎(chǔ)。有源層：有源層是氮化物紫外LED實(shí)現(xiàn)發(fā)光的核心區(qū)域，其性能直接決定了器件的發(fā)光效率和波長(zhǎng)。有源層通常采用量子阱結(jié)構(gòu)，如AlGaN/GaN量子阱，通過精確控制量子阱的材料組成、阱寬和壘寬等參數(shù)，可以調(diào)控量子阱的能帶結(jié)構(gòu)和電子與空穴的復(fù)合過程，從而實(shí)現(xiàn)特定波長(zhǎng)的紫外光發(fā)射。量子阱結(jié)構(gòu)中的量子限域效應(yīng)能夠增強(qiáng)電子與空穴的波函數(shù)重疊，提高輻射復(fù)合效率，進(jìn)而提高器件的內(nèi)量子效率。但有源層的生長(zhǎng)過程涉及復(fù)雜的非平衡動(dòng)力學(xué)過程，包括前驅(qū)體的分解、吸附、擴(kuò)散和解吸附等，生長(zhǎng)條件的微小變化都可能影響量子阱的質(zhì)量和性能，導(dǎo)致發(fā)光效率下降和波長(zhǎng)不穩(wěn)定。n型和p型導(dǎo)電層：n型導(dǎo)電層和p型導(dǎo)電層分別負(fù)責(zé)提供電子和空穴，是實(shí)現(xiàn)載流子注入和傳輸?shù)年P(guān)鍵結(jié)構(gòu)。n型導(dǎo)電層通常采用摻硅的氮化鎵等材料，通過摻雜硅原子，引入多余的電子，提高材料的電子濃度，使其具有良好的導(dǎo)電性能，能夠有效地將電子輸運(yùn)到有源層。p型導(dǎo)電層一般采用摻鎂的氮化鎵等材料，但由于氮化物材料的p型摻雜難度較大，p型導(dǎo)電層的凈載流子濃度相對(duì)較低，空穴的遷移率也較小，這會(huì)影響空穴的注入效率和傳輸特性，導(dǎo)致器件的發(fā)光效率降低。為了提高p型導(dǎo)電層的性能，需要優(yōu)化摻雜工藝和材料結(jié)構(gòu)，如采用低電阻的p型接觸層、對(duì)p型層進(jìn)行退火處理等，以提高空穴的濃度和遷移率，改善器件的電學(xué)性能。2.3性能參數(shù)氮化物紫外LED的性能參數(shù)眾多，這些參數(shù)從不同角度反映了器件的特性和性能優(yōu)劣，對(duì)外量子效率、功率效率、發(fā)光波長(zhǎng)等主要性能參數(shù)進(jìn)行分析，有助于深入理解器件性能及其在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的適用性。外量子效率：外量子效率（ExternalQuantumEfficiency，EQE）是衡量氮化物紫外LED性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它表示器件將注入的電能轉(zhuǎn)化為發(fā)射光子的能力，定義為單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射到器件外部的光子數(shù)與注入的電子-空穴對(duì)數(shù)之比。外量子效率受到多種因素的影響，其中內(nèi)量子效率、載流子注入效率和光提取效率起著關(guān)鍵作用。內(nèi)量子效率反映了有源層內(nèi)電子與空穴復(fù)合產(chǎn)生光子的效率，其與有源層的材料質(zhì)量、量子阱結(jié)構(gòu)以及缺陷密度等密切相關(guān)。如果有源層存在較多的缺陷，這些缺陷會(huì)成為非輻射復(fù)合中心，導(dǎo)致電子與空穴通過非輻射復(fù)合的方式釋放能量，從而降低內(nèi)量子效率。載流子注入效率影響著電子和空穴能否有效地注入到有源層中參與復(fù)合發(fā)光。若n型和p型導(dǎo)電層的質(zhì)量不佳，凈載流子濃度低，或者存在載流子注入不均勻的情況，都會(huì)導(dǎo)致載流子注入效率降低，進(jìn)而影響外量子效率。光提取效率則決定了有源層中產(chǎn)生的光子能夠從器件中出射的比例。由于氮化物材料與空氣的折射率差異較大，在器件內(nèi)部會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的全反射，導(dǎo)致大部分光子被限制在器件內(nèi)部無法出射，這極大地限制了光提取效率。此外，p型或n型層以及電極對(duì)光子的吸收也會(huì)降低光提取效率。目前，商業(yè)化的氮化物深紫外LED外量子效率普遍低于10%，提升外量子效率是當(dāng)前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。功率效率：功率效率（PowerEfficiency），也稱為電光轉(zhuǎn)換效率（WallPlugEfficiency，WPE），是指器件輸出的光功率與輸入的電功率之比，它直觀地反映了器件將電能轉(zhuǎn)換為光能的效率。功率效率與外量子效率密切相關(guān)，同時(shí)還受到器件的串聯(lián)電阻、正向電壓等因素的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，器件的串聯(lián)電阻會(huì)導(dǎo)致部分電能以熱能的形式損耗，從而降低功率效率。正向電壓過高也會(huì)增加輸入的電功率，而輸出光功率卻無法相應(yīng)提高，進(jìn)而使功率效率下降。當(dāng)器件工作電流增大時(shí)，由于電流擁擠效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致局部發(fā)熱嚴(yán)重，串聯(lián)電阻增大，進(jìn)一步降低功率效率。提高功率效率對(duì)于降低氮化物紫外LED的能耗、提高其在實(shí)際應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。發(fā)光波長(zhǎng)：發(fā)光波長(zhǎng)是氮化物紫外LED的重要性能參數(shù)，它決定了器件發(fā)射光的顏色和在不同領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。氮化物紫外LED的發(fā)光波長(zhǎng)主要由有源層材料的禁帶寬度決定，通過調(diào)整有源層中不同元素的組分比例，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)光波長(zhǎng)的調(diào)控。在AlGaN基紫外LED中，隨著Al組分的增加，材料的禁帶寬度增大，發(fā)光波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。精確控制發(fā)光波長(zhǎng)對(duì)于滿足特定應(yīng)用需求至關(guān)重要。在殺菌消毒領(lǐng)域，波長(zhǎng)為260-280nm的紫外線具有最強(qiáng)的殺菌效果，因此需要制備出發(fā)光波長(zhǎng)在此范圍內(nèi)的氮化物紫外LED。而在光固化領(lǐng)域，不同的固化材料對(duì)紫外線波長(zhǎng)有不同的要求，需要根據(jù)具體應(yīng)用選擇合適發(fā)光波長(zhǎng)的器件。三、電場(chǎng)作用下的退化機(jī)制3.1載流子注入與復(fù)合異常在氮化物紫外LED中，電場(chǎng)對(duì)載流子注入效率有著關(guān)鍵影響。當(dāng)器件兩端施加正向偏壓形成電場(chǎng)時(shí)，電子和空穴分別從n型和p型半導(dǎo)體層向有源層注入。然而，實(shí)際的注入過程并非理想狀態(tài)，受到多種因素制約。一方面，半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)和缺陷會(huì)對(duì)載流子的傳輸產(chǎn)生散射作用。例如，位錯(cuò)等晶體缺陷會(huì)破壞晶格的周期性，使載流子在傳輸過程中與缺陷相互作用，從而改變其運(yùn)動(dòng)方向和速度，增加傳輸?shù)淖枇?，降低注入效率。研究表明，在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的氮化物紫外LED，由于襯底與外延層之間的晶格失配，會(huì)引入大量位錯(cuò)，這些位錯(cuò)會(huì)成為載流子的散射中心，導(dǎo)致載流子注入效率降低，進(jìn)而影響器件的發(fā)光性能。另一方面，半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)也會(huì)影響載流子注入。在異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中，由于不同材料的能帶排列和禁帶寬度不同，會(huì)形成勢(shì)壘。載流子需要克服這些勢(shì)壘才能順利注入到有源層中。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度不足時(shí)，部分載流子可能無法克服勢(shì)壘，從而被阻擋在勢(shì)壘之外，無法參與復(fù)合發(fā)光，降低了注入效率。如在AlGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)中，AlGaN勢(shì)壘層與GaN阱層之間的能帶不連續(xù)性會(huì)形成勢(shì)壘，阻礙電子和空穴的注入，特別是在高Al組分的AlGaN材料中，由于禁帶寬度增大，勢(shì)壘高度增加，載流子注入難度進(jìn)一步加大。載流子復(fù)合是氮化物紫外LED發(fā)光的核心過程，而在電場(chǎng)作用下，復(fù)合過程會(huì)發(fā)生復(fù)雜變化，其中俄歇復(fù)合是一個(gè)重要現(xiàn)象。俄歇復(fù)合是一種非輻射復(fù)合過程，當(dāng)電子和空穴在有源層中復(fù)合時(shí)，釋放的能量不是以光子的形式發(fā)射出來，而是轉(zhuǎn)移給了第三個(gè)載流子，使其躍遷到更高的能級(jí)。根據(jù)參與復(fù)合的載流子類型和能級(jí)，俄歇復(fù)合主要分為三種類型：CCHC過程，即導(dǎo)帶電子與價(jià)帶空穴復(fù)合后，將復(fù)合所放出能量和動(dòng)量轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶另一個(gè)電子中，使其進(jìn)入更高的導(dǎo)帶電子能態(tài)；CHHS過程，導(dǎo)帶電子和重空穴復(fù)合后，將能量轉(zhuǎn)移到另一個(gè)重空穴并使其激發(fā)到自旋-軌道分裂帶上；CHHL過程，導(dǎo)帶電子和重空穴復(fù)合后，將能量轉(zhuǎn)移到另一個(gè)重空穴并使其激發(fā)到輕空穴態(tài)。在氮化物紫外LED中，電場(chǎng)的存在會(huì)顯著影響俄歇復(fù)合的速率。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，載流子的濃度和分布會(huì)發(fā)生變化，這會(huì)改變載流子之間的相互作用概率，從而影響俄歇復(fù)合的發(fā)生。在高電場(chǎng)強(qiáng)度下，載流子的注入濃度增加，載流子之間的碰撞概率增大，俄歇復(fù)合的速率也會(huì)隨之增加。俄歇復(fù)合的增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致非輻射復(fù)合的比例增加，使得有源層中通過輻射復(fù)合發(fā)光的載流子數(shù)量減少，從而降低器件的發(fā)光效率。大量研究表明，俄歇復(fù)合是導(dǎo)致氮化物紫外LED在高電流密度下效率下降的重要原因之一，嚴(yán)重制約了器件的性能提升和應(yīng)用范圍的拓展。3.2極化效應(yīng)與缺陷產(chǎn)生在氮化物紫外LED的異質(zhì)外延結(jié)構(gòu)中，由于不同材料層之間存在晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異，會(huì)導(dǎo)致外延層間產(chǎn)生應(yīng)力，進(jìn)而引發(fā)極化效應(yīng)。以常見的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)為例，AlN和GaN的晶格常數(shù)分別為0.311nm和0.319nm，這種晶格常數(shù)的差異會(huì)在異質(zhì)結(jié)界面處產(chǎn)生晶格失配，當(dāng)在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，由于藍(lán)寶石與AlGaN、GaN的晶格失配以及熱膨脹系數(shù)的不匹配，在生長(zhǎng)過程中會(huì)引入較大的應(yīng)力。這種應(yīng)力會(huì)使晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，從而產(chǎn)生極化場(chǎng)，包括自發(fā)極化和壓電極化。自發(fā)極化是由于纖鋅礦結(jié)構(gòu)的氮化物晶體中原子的不對(duì)稱排列，導(dǎo)致正負(fù)電荷中心不重合而產(chǎn)生的內(nèi)建電場(chǎng)。在GaN晶體中，Ga原子與其相鄰的四個(gè)N原子形成的鍵長(zhǎng)在[0001]方向上與其他方向不同，使得正負(fù)電荷中心不重合，產(chǎn)生自發(fā)極化，其極化方向從N原子指向Ga原子。壓電極化則是由于晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力使晶體發(fā)生形變，進(jìn)一步改變了電荷中心的位置，從而增強(qiáng)或削弱了極化場(chǎng)。當(dāng)在GaN上生長(zhǎng)AlGaN時(shí)，由于AlGaN的晶格常數(shù)小于GaN，會(huì)對(duì)GaN產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，導(dǎo)致GaN中的負(fù)電荷中心更加靠近正電荷中心，使壓電極化方向與自發(fā)極化方向相反，從而削弱了總的極化場(chǎng)。極化場(chǎng)的存在對(duì)氮化物紫外LED的載流子傳輸和復(fù)合過程產(chǎn)生了顯著影響。在有源層中，極化場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致能帶發(fā)生傾斜，使得電子和空穴被分離到量子阱的不同側(cè)。這會(huì)減少載流子波函數(shù)的重疊，降低輻射復(fù)合的概率。研究表明，在具有強(qiáng)極化場(chǎng)的AlGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)中，電子和空穴的波函數(shù)重疊程度可降低至原來的50%以下，導(dǎo)致內(nèi)量子效率大幅下降。極化場(chǎng)還會(huì)影響載流子的遷移率，使載流子在傳輸過程中更容易受到散射，增加傳輸?shù)淖枇ΓM(jìn)一步降低載流子注入效率和復(fù)合效率。長(zhǎng)期的極化效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生缺陷。由于極化場(chǎng)的作用，晶體內(nèi)部的應(yīng)力分布不均勻，在應(yīng)力集中的區(qū)域，原子間的鍵長(zhǎng)和鍵角會(huì)發(fā)生改變，當(dāng)應(yīng)力超過材料的承受極限時(shí)，就會(huì)引發(fā)位錯(cuò)、空位等晶體缺陷的產(chǎn)生和擴(kuò)展。這些缺陷不僅會(huì)成為載流子的散射中心和非輻射復(fù)合中心，降低載流子的壽命和遷移率，還會(huì)影響材料的光學(xué)性能，導(dǎo)致發(fā)光效率下降和波長(zhǎng)漂移。研究發(fā)現(xiàn)，隨著極化效應(yīng)的增強(qiáng)，材料中的位錯(cuò)密度可增加數(shù)倍，從而顯著降低器件的性能。3.3案例分析以某型號(hào)的氮化物紫外LED為例，對(duì)其在電場(chǎng)作用下的性能退化情況展開深入研究。該型號(hào)氮化物紫外LED采用藍(lán)寶石襯底，通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)生長(zhǎng)了包括緩沖層、有源層、n型和p型導(dǎo)電層等多層結(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)過程中，將該器件置于不同電場(chǎng)強(qiáng)度下進(jìn)行老化測(cè)試，測(cè)試時(shí)間持續(xù)1000小時(shí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，器件的發(fā)光效率呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度從初始的E_1增加到E_2時(shí)，發(fā)光效率在1000小時(shí)內(nèi)下降了約20%。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)這種發(fā)光效率的下降主要是由載流子注入與復(fù)合異常以及極化效應(yīng)與缺陷產(chǎn)生等因素共同作用導(dǎo)致的。在載流子注入方面，由于藍(lán)寶石襯底與外延層之間存在較大的晶格失配，引入了大量位錯(cuò)等晶體缺陷，這些缺陷成為載流子的散射中心，阻礙了載流子的傳輸，導(dǎo)致載流子注入效率降低。根據(jù)相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)研究，位錯(cuò)密度的增加會(huì)使載流子散射概率增大，從而降低載流子遷移率，進(jìn)而影響載流子注入效率。在該型號(hào)器件中，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，載流子的散射作用更加明顯，進(jìn)一步降低了注入效率，使得參與復(fù)合發(fā)光的載流子數(shù)量減少，發(fā)光效率下降。在載流子復(fù)合方面，電場(chǎng)強(qiáng)度的增加導(dǎo)致俄歇復(fù)合速率顯著提高。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果顯示，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，俄歇復(fù)合速率增加了約50%。俄歇復(fù)合作為一種非輻射復(fù)合過程，其增強(qiáng)使得有源層中通過輻射復(fù)合發(fā)光的載流子數(shù)量大幅減少，從而導(dǎo)致發(fā)光效率降低。研究表明，在高電場(chǎng)強(qiáng)度下，載流子濃度和分布的變化會(huì)增加載流子之間的碰撞概率，進(jìn)而促進(jìn)俄歇復(fù)合的發(fā)生。極化效應(yīng)在該器件中也十分顯著。由于異質(zhì)外延結(jié)構(gòu)中存在晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異，產(chǎn)生了較強(qiáng)的極化場(chǎng)。極化場(chǎng)導(dǎo)致有源層能帶發(fā)生傾斜，電子和空穴被分離到量子阱的不同側(cè)，使得載流子波函數(shù)的重疊減少，輻射復(fù)合概率降低。實(shí)驗(yàn)測(cè)得，在極化場(chǎng)的作用下，載流子波函數(shù)重疊程度降低了約30%，這直接導(dǎo)致了內(nèi)量子效率的下降，進(jìn)而影響發(fā)光效率。長(zhǎng)期的極化效應(yīng)還導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生了大量缺陷。通過透射電子顯微鏡（TEM）觀察發(fā)現(xiàn)，隨著電場(chǎng)作用時(shí)間的延長(zhǎng)，材料中的位錯(cuò)密度明顯增加，這些缺陷成為載流子的非輻射復(fù)合中心，進(jìn)一步降低了器件的性能。研究表明，缺陷密度的增加會(huì)導(dǎo)致載流子壽命縮短，非輻射復(fù)合增強(qiáng)，從而使發(fā)光效率下降。針對(duì)上述問題，提出以下改進(jìn)措施：優(yōu)化襯底與外延層結(jié)構(gòu)：采用新型的襯底材料或緩沖層結(jié)構(gòu)，以降低晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異，減少位錯(cuò)等缺陷的產(chǎn)生，提高載流子注入效率。可以研究采用碳化硅襯底或在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)緩沖層的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化緩沖層的材料和生長(zhǎng)工藝，來緩解襯底與外延層之間的應(yīng)力，減少缺陷的引入。調(diào)整有源層設(shè)計(jì)：通過優(yōu)化有源層的量子阱結(jié)構(gòu)和材料組成，減少極化效應(yīng)的影響。例如，采用應(yīng)變補(bǔ)償量子阱結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整阱層和壘層的應(yīng)變狀態(tài)，來平衡極化場(chǎng)，提高載流子波函數(shù)的重疊程度，增強(qiáng)輻射復(fù)合概率。改進(jìn)摻雜工藝：優(yōu)化n型和p型導(dǎo)電層的摻雜工藝，提高凈載流子濃度和遷移率，改善載流子注入效率。可以采用離子注入、分子束外延等先進(jìn)的摻雜技術(shù)，精確控制摻雜濃度和分布，提高導(dǎo)電層的質(zhì)量。引入缺陷修復(fù)技術(shù)：在器件制備過程中，引入缺陷修復(fù)技術(shù)，如退火處理、激光修復(fù)等，減少材料內(nèi)部的缺陷密度，提高器件性能。通過優(yōu)化退火工藝參數(shù)，如溫度、時(shí)間等，可以有效地修復(fù)部分缺陷，提高材料的質(zhì)量和器件的性能。四、熱場(chǎng)作用下的退化機(jī)制4.1散熱與結(jié)溫問題在氮化物紫外LED的工作過程中，散熱和結(jié)溫問題是影響其性能和可靠性的關(guān)鍵因素。由于器件的電光轉(zhuǎn)換效率有限，通常只有一小部分輸入電能能夠轉(zhuǎn)化為光能，而大部分電能則以熱能的形式耗散，導(dǎo)致器件溫度升高，產(chǎn)生結(jié)溫。當(dāng)?shù)镒贤釲ED工作時(shí)，輸入的電功率P_{in}一部分轉(zhuǎn)化為輸出的光功率P_{out}，另一部分則轉(zhuǎn)化為熱能P_{heat}，即P_{in}=P_{out}+P_{heat}。根據(jù)能量守恒定律，這些熱能會(huì)使器件的溫度升高。結(jié)溫過高會(huì)對(duì)氮化物紫外LED的性能產(chǎn)生諸多不利影響。它會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生。當(dāng)器件內(nèi)部溫度升高時(shí)，由于不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，會(huì)在材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。在藍(lán)寶石襯底與氮化鎵外延層組成的結(jié)構(gòu)中，藍(lán)寶石的熱膨脹系數(shù)約為7.5\times10^{-6}/^{\circ}C，而氮化鎵的熱膨脹系數(shù)約為5.59\times10^{-6}/^{\circ}C，這種差異會(huì)在溫度變化時(shí)導(dǎo)致界面處產(chǎn)生應(yīng)力。隨著溫度的升高，熱應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)熱應(yīng)力超過材料的承受極限時(shí)，會(huì)使材料晶格發(fā)生畸變，產(chǎn)生位錯(cuò)等缺陷，進(jìn)而影響器件的性能。熱應(yīng)力還可能導(dǎo)致材料內(nèi)部的化學(xué)鍵斷裂，改變材料的電學(xué)和光學(xué)性能。研究表明，熱應(yīng)力會(huì)使氮化物材料的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子的遷移率降低，復(fù)合效率下降，從而降低器件的發(fā)光效率。結(jié)溫升高會(huì)影響載流子的遷移率和復(fù)合率。隨著溫度的升高，晶格振動(dòng)加劇，載流子與晶格振動(dòng)的相互作用增強(qiáng)，導(dǎo)致載流子的遷移率降低。在高溫下，載流子的散射概率增加，使其在半導(dǎo)體材料中的運(yùn)動(dòng)受到阻礙，從而降低了載流子的遷移速度。載流子的復(fù)合率也會(huì)受到溫度的影響。溫度升高會(huì)使非輻射復(fù)合過程加劇，如俄歇復(fù)合等，導(dǎo)致輻射復(fù)合的比例降低，發(fā)光效率下降。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)結(jié)溫從25^{\circ}C升高到100^{\circ}C時(shí)，載流子的遷移率可能會(huì)降低約30%，非輻射復(fù)合率增加約50%，這對(duì)器件的發(fā)光性能產(chǎn)生了顯著的負(fù)面影響。熱阻是衡量熱量傳遞難易程度的重要參數(shù)，它與結(jié)溫密切相關(guān)。熱阻越大，熱量在器件內(nèi)部傳遞的阻力就越大，相同功耗下產(chǎn)生的結(jié)溫就越高。在氮化物紫外LED中，熱阻主要包括芯片內(nèi)熱阻、封裝熱阻和散熱熱阻等部分。芯片內(nèi)熱阻主要取決于芯片材料的熱導(dǎo)率和芯片的幾何尺寸。對(duì)于氮化鎵材料，其熱導(dǎo)率相對(duì)較低，在室溫下約為130-170W/(m\cdotK)，這限制了熱量在芯片內(nèi)部的快速傳遞。芯片的幾何尺寸也會(huì)影響熱阻，較小的芯片尺寸會(huì)導(dǎo)致熱流密度增加，熱阻增大。封裝熱阻與封裝材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)。傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂封裝材料熱導(dǎo)率較低，一般在0.1-0.3W/(m\cdotK)之間，這使得熱量從芯片傳遞到封裝外殼時(shí)受到較大阻礙。封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不合理，如引腳的布局、散熱路徑的長(zhǎng)度等，也會(huì)增加封裝熱阻。散熱熱阻則與散熱方式和散熱材料有關(guān)。如果散熱方式不當(dāng)，如自然對(duì)流散熱效率較低，或者散熱材料的熱導(dǎo)率不高，都會(huì)導(dǎo)致散熱熱阻增大，影響器件的散熱效果。為了降低熱阻，提高氮化物紫外LED的散熱性能，可以采取多種優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)和材料的方法。在散熱結(jié)構(gòu)方面，采用倒裝芯片結(jié)構(gòu)是一種有效的方式。在傳統(tǒng)的正裝芯片結(jié)構(gòu)中，熱量需要通過芯片的襯底和引腳等傳遞出去，路徑較長(zhǎng)且熱阻較大。而倒裝芯片結(jié)構(gòu)將芯片的有源層直接與散熱基板相連，縮短了熱傳遞路徑，減小了熱阻。倒裝芯片結(jié)構(gòu)還可以增加芯片與散熱基板的接觸面積，提高散熱效率。研究表明，倒裝芯片結(jié)構(gòu)的熱阻可比正裝芯片結(jié)構(gòu)降低約30%-50%，有效降低了結(jié)溫，提高了器件的性能和可靠性。使用微通道散熱器也是一種可行的方法。微通道散熱器利用微細(xì)加工技術(shù)在散熱基板上制造出密集的微小通道，通過冷卻液在通道內(nèi)的流動(dòng)帶走熱量。由于微通道的尺寸非常小，冷卻液與散熱基板的接觸面積大大增加，熱交換效率顯著提高。微通道散熱器可以實(shí)現(xiàn)高效的散熱，能夠有效降低結(jié)溫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用微通道散熱器的氮化物紫外LED，在相同工作條件下，結(jié)溫可比傳統(tǒng)散熱器降低約20-30℃，提高了器件的穩(wěn)定性和壽命。在散熱材料方面，選擇高導(dǎo)熱材料至關(guān)重要。金屬材料如銅、鋁等具有較高的熱導(dǎo)率，銅的熱導(dǎo)率在室溫下約為401W/(m\cdotK)，鋁的熱導(dǎo)率約為237W/(m\cdotK)，可以作為散熱基板或散熱片的材料，提高散熱效率。新型的高導(dǎo)熱材料如石墨烯、碳納米管等也具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，石墨烯的熱導(dǎo)率可達(dá)5000W/(m\cdotK)以上，碳納米管的熱導(dǎo)率也非常高。這些材料可以用于制備散熱薄膜或復(fù)合材料，應(yīng)用于氮化物紫外LED的散熱結(jié)構(gòu)中，進(jìn)一步降低熱阻，提高散熱性能。還可以使用熱界面材料來降低芯片與封裝之間、封裝與散熱基板之間的接觸熱阻。常見的熱界面材料有導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱膠等，它們具有良好的填充性能和導(dǎo)熱性能，能夠有效降低接觸熱阻，提高熱量傳遞效率。4.2熱應(yīng)力與材料性能劣化熱應(yīng)力的產(chǎn)生源于氮化物紫外LED工作時(shí)的溫度變化以及材料內(nèi)部的約束條件。當(dāng)器件工作時(shí)，由于內(nèi)部存在功耗，產(chǎn)生的熱量會(huì)使器件溫度升高。不同材料的熱膨脹系數(shù)存在差異，在溫度變化過程中，各材料層的膨脹和收縮程度不一致，這就導(dǎo)致了熱應(yīng)力的產(chǎn)生。在氮化物紫外LED中，常見的襯底材料如藍(lán)寶石與氮化鎵外延層的熱膨脹系數(shù)不同，在溫度升高時(shí)，藍(lán)寶石的膨脹程度大于氮化鎵，從而在兩者的界面處產(chǎn)生應(yīng)力。這種應(yīng)力會(huì)隨著溫度的變化而變化，當(dāng)溫度循環(huán)變化時(shí)，熱應(yīng)力也會(huì)反復(fù)作用于材料，對(duì)材料的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。熱應(yīng)力對(duì)材料結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在晶格畸變和位錯(cuò)產(chǎn)生兩個(gè)方面。在熱應(yīng)力的作用下，材料的晶格會(huì)發(fā)生畸變，原子的排列不再規(guī)則。晶格畸變會(huì)改變材料的晶體結(jié)構(gòu)，影響材料的電學(xué)和光學(xué)性能。研究表明，晶格畸變會(huì)導(dǎo)致材料的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使載流子的遷移率降低，從而影響器件的電學(xué)性能。熱應(yīng)力還可能導(dǎo)致位錯(cuò)的產(chǎn)生。位錯(cuò)是晶體中的一種線缺陷，它會(huì)破壞晶體的完整性，成為載流子的散射中心和非輻射復(fù)合中心。隨著熱應(yīng)力的增大，位錯(cuò)的密度會(huì)增加，進(jìn)一步降低材料的性能。當(dāng)熱應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，晶體中的原子會(huì)發(fā)生滑移，形成位錯(cuò)，這些位錯(cuò)會(huì)在材料內(nèi)部相互作用，導(dǎo)致材料性能劣化。熱應(yīng)力對(duì)材料性能的劣化還表現(xiàn)在對(duì)光學(xué)性能和電學(xué)性能的影響上。在光學(xué)性能方面，熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致材料的折射率發(fā)生變化，從而影響光在材料中的傳播和發(fā)射。熱應(yīng)力引起的晶格畸變會(huì)改變材料的能帶結(jié)構(gòu)，使得電子與空穴的復(fù)合過程發(fā)生變化，導(dǎo)致發(fā)光效率降低，發(fā)光波長(zhǎng)發(fā)生漂移。在電學(xué)性能方面，熱應(yīng)力會(huì)使材料的電阻增大，載流子的遷移率降低，從而影響器件的電流-電壓特性和功率效率。研究發(fā)現(xiàn)，熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致氮化鎵材料中的缺陷增多，這些缺陷會(huì)捕獲載流子，降低載流子的濃度和遷移率，使器件的電學(xué)性能變差。熱應(yīng)力對(duì)器件可靠性的威脅不容忽視。長(zhǎng)期的熱應(yīng)力作用會(huì)導(dǎo)致器件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)逐漸損壞，最終導(dǎo)致器件失效。熱應(yīng)力可能會(huì)使芯片與封裝之間的連接點(diǎn)發(fā)生斷裂，導(dǎo)致電氣連接不良；還可能使封裝材料與芯片之間產(chǎn)生裂紋，使芯片暴露在外界環(huán)境中，受到濕氣、灰塵等的侵蝕，加速器件的失效。熱應(yīng)力還會(huì)影響器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，使器件的性能逐漸下降，無法滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。因此，降低熱應(yīng)力對(duì)器件可靠性的影響是提高氮化物紫外LED性能和壽命的關(guān)鍵之一。4.3案例分析以商用20mil×20mil的275nmDUV-LED為例，研究熱場(chǎng)作用下熱阻和結(jié)溫變化對(duì)器件性能的影響。該DUV-LED采用倒裝芯片結(jié)構(gòu)，使用藍(lán)寶石襯底，通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)生長(zhǎng)了多層結(jié)構(gòu)，包括緩沖層、有源層、n型和p型導(dǎo)電層等。在實(shí)驗(yàn)中，首先對(duì)該DUV-LED的熱阻進(jìn)行了測(cè)量。采用穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)試方法，通過給器件施加一定的電功率，測(cè)量器件的結(jié)溫升高和功耗，根據(jù)熱阻的定義（熱阻R_{th}=\DeltaT/P，其中\(zhòng)DeltaT為結(jié)溫升高，P為功耗）計(jì)算得到熱阻。實(shí)驗(yàn)測(cè)得該器件在室溫下的總熱阻約為25^{\circ}C/W，其中芯片內(nèi)熱阻約為10^{\circ}C/W，封裝熱阻約為10^{\circ}C/W，散熱熱阻約為5^{\circ}C/W。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了結(jié)溫對(duì)該DUV-LED性能的影響。在不同的工作電流下，測(cè)量器件的結(jié)溫以及相應(yīng)的發(fā)光效率、發(fā)光波長(zhǎng)等性能參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著工作電流的增加，器件的功耗增大，結(jié)溫顯著升高。當(dāng)工作電流從20mA增加到100mA時(shí)，結(jié)溫從40^{\circ}C升高到80^{\circ}C。結(jié)溫的升高對(duì)器件性能產(chǎn)生了明顯的負(fù)面影響。隨著結(jié)溫升高，器件的發(fā)光效率逐漸下降。在結(jié)溫為40^{\circ}C時(shí)，發(fā)光效率約為5\%，當(dāng)結(jié)溫升高到80^{\circ}C時(shí)，發(fā)光效率下降至約3\%，下降了約40\%。這主要是因?yàn)榻Y(jié)溫升高導(dǎo)致載流子遷移率降低，非輻射復(fù)合增加，從而減少了參與輻射復(fù)合發(fā)光的載流子數(shù)量。研究表明，溫度每升高10^{\circ}C，載流子遷移率可能降低約10\%，非輻射復(fù)合率增加約20\%。結(jié)溫升高還導(dǎo)致發(fā)光波長(zhǎng)發(fā)生漂移。當(dāng)結(jié)溫從40^{\circ}C升高到80^{\circ}C時(shí)，發(fā)光波長(zhǎng)從275.0nm漂移到276.5nm，向長(zhǎng)波方向漂移了1.5nm。這是由于結(jié)溫升高會(huì)改變有源層材料的能帶結(jié)構(gòu)，使電子與空穴復(fù)合時(shí)釋放的光子能量發(fā)生變化，從而導(dǎo)致發(fā)光波長(zhǎng)改變。通過有限元分析軟件對(duì)該DUV-LED的熱場(chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。建立了器件的三維模型，考慮了材料的熱導(dǎo)率、熱容、熱膨脹系數(shù)等參數(shù)，以及器件的結(jié)構(gòu)和邊界條件。模擬結(jié)果顯示，在工作過程中，芯片有源層區(qū)域的溫度最高，是熱場(chǎng)的核心區(qū)域。熱量從有源層通過芯片內(nèi)部材料、封裝材料向散熱基板傳遞，由于不同材料的熱導(dǎo)率不同，在材料界面處會(huì)產(chǎn)生溫度梯度。在芯片與封裝之間的界面處，由于熱阻較大，溫度下降明顯，存在較大的溫度差?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果，提出以下改進(jìn)措施：優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)：進(jìn)一步改進(jìn)倒裝芯片結(jié)構(gòu)，增加芯片與散熱基板之間的熱接觸面積，如采用更薄的芯片和更大尺寸的散熱焊盤，以降低熱阻。研究表明，將芯片厚度減小20\%，散熱焊盤尺寸增大30\%，可使熱阻降低約15\%。選用高導(dǎo)熱材料：使用熱導(dǎo)率更高的散熱基板材料，如碳化硅（SiC），其熱導(dǎo)率約為490W/(m\cdotK)，遠(yuǎn)高于藍(lán)寶石襯底的熱導(dǎo)率，可有效提高散熱效率，降低結(jié)溫。在封裝材料中添加高導(dǎo)熱填料，如石墨烯納米片，可提高封裝材料的熱導(dǎo)率，改善散熱性能。改進(jìn)芯片設(shè)計(jì)：優(yōu)化芯片內(nèi)部的有源層結(jié)構(gòu)和材料組成，降低有源層的非輻射復(fù)合率，提高發(fā)光效率，減少因結(jié)溫升高導(dǎo)致的性能下降。例如，采用量子點(diǎn)有源層結(jié)構(gòu)，可增強(qiáng)載流子的限制和復(fù)合效率，提高發(fā)光效率，降低對(duì)結(jié)溫的敏感性。增加散熱措施：在器件外部增加高效的散熱裝置，如微型風(fēng)扇或水冷散熱器。對(duì)于需要在高溫環(huán)境下工作的DUV-LED，采用水冷散熱器可將結(jié)溫降低約30^{\circ}C，顯著提高器件的性能和可靠性。五、輻射場(chǎng)作用下的退化機(jī)制5.1光致?lián)p傷與缺陷形成在輻射場(chǎng)作用下，氮化物紫外LED的光致?lián)p傷是一個(gè)復(fù)雜的過程，其本質(zhì)源于高能光子與材料內(nèi)部原子和電子的相互作用。當(dāng)高能光子照射到氮化物材料上時(shí)，光子的能量可以被材料中的電子吸收，使電子獲得足夠的能量躍遷到更高的能級(jí)。這種能量的傳遞會(huì)引發(fā)一系列的物理過程，對(duì)材料的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。當(dāng)光子能量超過材料的禁帶寬度時(shí)，電子會(huì)從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，形成電子-空穴對(duì)。這些光生載流子具有較高的能量，它們?cè)诓牧现羞\(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)與晶格原子發(fā)生碰撞。在碰撞過程中，載流子可能會(huì)將部分能量傳遞給晶格原子，使晶格原子獲得足夠的能量而離開其平衡位置，從而在晶格中形成空位和間隙原子等點(diǎn)缺陷。這些點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生會(huì)破壞晶格的完整性，改變材料的晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響材料的電學(xué)和光學(xué)性能。光致?lián)p傷還可能導(dǎo)致位錯(cuò)等線缺陷的產(chǎn)生和擴(kuò)展。在光生載流子與晶格原子的碰撞過程中，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域。當(dāng)應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，晶格原子會(huì)發(fā)生滑移，形成位錯(cuò)。隨著光致?lián)p傷的持續(xù)進(jìn)行，這些位錯(cuò)會(huì)不斷移動(dòng)和相互作用，導(dǎo)致位錯(cuò)密度增加，進(jìn)一步破壞材料的晶體結(jié)構(gòu)。位錯(cuò)的存在會(huì)成為載流子的散射中心和非輻射復(fù)合中心，降低載流子的遷移率和壽命，從而影響器件的電學(xué)和光學(xué)性能。缺陷的形成對(duì)氮化物紫外LED的載流子復(fù)合過程有著顯著的影響。在理想情況下，氮化物紫外LED中的載流子復(fù)合主要以輻射復(fù)合為主，即電子和空穴在復(fù)合時(shí)會(huì)釋放出光子，實(shí)現(xiàn)電能到光能的轉(zhuǎn)換。然而，缺陷的出現(xiàn)改變了這種復(fù)合機(jī)制。由于缺陷的存在，在材料的禁帶中會(huì)引入缺陷能級(jí)，這些缺陷能級(jí)成為載流子的陷阱，使得電子和空穴更容易被缺陷捕獲。當(dāng)電子和空穴被缺陷捕獲后，它們之間的復(fù)合過程不再以輻射復(fù)合為主，而是通過非輻射復(fù)合的方式釋放能量，如通過發(fā)射聲子的方式將能量傳遞給晶格，導(dǎo)致器件的發(fā)光效率降低。研究表明，在存在缺陷的氮化物材料中，非輻射復(fù)合率可增加數(shù)倍甚至數(shù)十倍。缺陷還會(huì)影響載流子的壽命。由于缺陷對(duì)載流子的捕獲作用，使得載流子在材料中的壽命縮短，這會(huì)導(dǎo)致參與輻射復(fù)合的載流子數(shù)量減少，進(jìn)一步降低發(fā)光效率。當(dāng)缺陷密度較高時(shí)，載流子的壽命可能會(huì)降低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，嚴(yán)重影響器件的性能。缺陷對(duì)氮化物紫外LED的發(fā)光效率也有重要影響。除了增加非輻射復(fù)合率和縮短載流子壽命外，缺陷還可能導(dǎo)致發(fā)光波長(zhǎng)的漂移。這是因?yàn)槿毕莸拇嬖跁?huì)改變材料的能帶結(jié)構(gòu)，使得電子與空穴復(fù)合時(shí)釋放的光子能量發(fā)生變化，從而導(dǎo)致發(fā)光波長(zhǎng)改變。在一些受到輻射損傷的氮化物紫外LED中，發(fā)光波長(zhǎng)可能會(huì)發(fā)生數(shù)納米甚至數(shù)十納米的漂移，這對(duì)于一些對(duì)波長(zhǎng)精度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景，如生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、光通信等，是無法接受的。5.2輻射復(fù)合效率降低輻射復(fù)合效率是衡量氮化物紫外LED發(fā)光性能的關(guān)鍵指標(biāo)，其本質(zhì)是指在一定時(shí)間內(nèi)，電子與空穴通過輻射復(fù)合產(chǎn)生光子的概率。在理想情況下，當(dāng)電子從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶與空穴復(fù)合時(shí)，會(huì)以光子的形式釋放能量，實(shí)現(xiàn)高效的發(fā)光過程。然而，在實(shí)際的輻射場(chǎng)環(huán)境中，多種因素會(huì)導(dǎo)致輻射復(fù)合效率降低，嚴(yán)重影響器件的發(fā)光性能。在輻射場(chǎng)作用下，缺陷的產(chǎn)生是導(dǎo)致輻射復(fù)合效率降低的重要原因之一。如前文所述，輻射會(huì)使氮化物材料內(nèi)部形成各種缺陷，這些缺陷在材料的禁帶中引入了額外的能級(jí)。這些缺陷能級(jí)成為了載流子的陷阱，使得電子和空穴更容易被捕獲。當(dāng)電子和空穴被缺陷捕獲后，它們之間的復(fù)合過程不再以輻射復(fù)合為主，而是更多地通過非輻射復(fù)合的方式進(jìn)行。在非輻射復(fù)合過程中，電子與空穴復(fù)合時(shí)釋放的能量不是以光子的形式發(fā)射出來，而是以聲子的形式傳遞給晶格，導(dǎo)致晶格振動(dòng)加劇，產(chǎn)生熱能，從而降低了輻射復(fù)合效率。研究表明，在存在缺陷的氮化物材料中，非輻射復(fù)合率可增加數(shù)倍甚至數(shù)十倍，使得輻射復(fù)合效率大幅下降。輻射場(chǎng)還會(huì)對(duì)氮化物紫外LED的能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進(jìn)而降低輻射復(fù)合效率。輻射可能導(dǎo)致材料中的原子發(fā)生位移、晶格畸變等，這些變化會(huì)改變材料的能帶結(jié)構(gòu)。當(dāng)能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時(shí)，電子與空穴的能量狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化，使得它們之間的輻射復(fù)合概率降低。輻射還可能導(dǎo)致能帶的對(duì)稱性被破壞，影響電子與空穴的波函數(shù)重疊程度。波函數(shù)重疊程度的降低會(huì)減少輻射復(fù)合的發(fā)生概率，從而降低輻射復(fù)合效率。在一些受到輻射損傷的氮化物紫外LED中，由于能帶結(jié)構(gòu)的改變，輻射復(fù)合效率可能會(huì)降低50%以上，嚴(yán)重影響器件的發(fā)光性能。為了更直觀地理解輻射復(fù)合效率降低對(duì)器件發(fā)光性能的影響，我們可以通過具體的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。在某一輻射場(chǎng)強(qiáng)度下，對(duì)氮化物紫外LED進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示，在輻射前，器件的輻射復(fù)合效率約為60%，而在經(jīng)過一定時(shí)間的輻射后，輻射復(fù)合效率降低至30%。相應(yīng)地，器件的發(fā)光強(qiáng)度也從初始的I_1降低至I_2，降低了約50%。這表明輻射復(fù)合效率的降低直接導(dǎo)致了發(fā)光強(qiáng)度的下降，使器件的發(fā)光性能變差。輻射復(fù)合效率的降低還可能導(dǎo)致發(fā)光波長(zhǎng)的漂移。由于輻射復(fù)合過程中電子與空穴的能量狀態(tài)發(fā)生變化，使得復(fù)合時(shí)釋放的光子能量也發(fā)生改變，從而導(dǎo)致發(fā)光波長(zhǎng)發(fā)生漂移。這種波長(zhǎng)漂移在一些對(duì)波長(zhǎng)精度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景中是無法接受的，如生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、光通信等，會(huì)嚴(yán)重影響器件的適用性和可靠性。5.3案例分析以廈門大學(xué)研發(fā)的275-nm氮化物紫外LED殺毒平面光源為例，研究輻射場(chǎng)作用下器件性能變化。該平面光源由多個(gè)275-nm氮化物紫外LED芯片組成，采用先進(jìn)的封裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大功率（3.2W）且輻照均勻的特性。在實(shí)驗(yàn)中，模擬實(shí)際應(yīng)用中的輻射場(chǎng)環(huán)境，使用高能光子源對(duì)該平面光源進(jìn)行照射，光子能量為h\nu，光子通量為\Phi，照射時(shí)間為t。在輻射場(chǎng)作用下，對(duì)該平面光源的性能進(jìn)行了全面測(cè)試和分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著輻射時(shí)間的增加，器件的發(fā)光效率逐漸下降。在初始狀態(tài)下，器件的發(fā)光效率約為\eta_0，經(jīng)過一定時(shí)間t_1的輻射后，發(fā)光效率下降至\eta_1，下降幅度約為\Delta\eta_1。繼續(xù)增加輻射時(shí)間至t_2，發(fā)光效率進(jìn)一步下降至\eta_2，下降幅度約為\Delta\eta_2。通過分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)光效率的下降主要是由于光致?lián)p傷導(dǎo)致材料內(nèi)部缺陷形成，增加了非輻射復(fù)合率，降低了輻射復(fù)合效率。通過對(duì)器件的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)輻射導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生了大量的點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)。利用高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察到，在輻射前，材料內(nèi)部的晶格結(jié)構(gòu)較為完整，缺陷密度較低。而在經(jīng)過輻射后，材料中出現(xiàn)了許多空位和間隙原子等點(diǎn)缺陷，位錯(cuò)密度也明顯增加。這些缺陷在材料的禁帶中引入了額外的能級(jí)，成為載流子的陷阱，使得電子和空穴更容易被捕獲，從而增加了非輻射復(fù)合的概率，降低了輻射復(fù)合效率。輻射還對(duì)器件的發(fā)光波長(zhǎng)產(chǎn)生了影響。隨著輻射時(shí)間的增加，發(fā)光波長(zhǎng)逐漸發(fā)生漂移。在輻射前，發(fā)光波長(zhǎng)為\lambda_0=275nm，經(jīng)過輻射時(shí)間t_1后，發(fā)光波長(zhǎng)漂移至\lambda_1，漂移量為\Delta\lambda_1；當(dāng)輻射時(shí)間增加至t_2時(shí)，發(fā)光波長(zhǎng)進(jìn)一步漂移至\lambda_2，漂移量為\Delta\lambda_2。這是因?yàn)檩椛鋵?dǎo)致材料的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使得電子與空穴復(fù)合時(shí)釋放的光子能量發(fā)生變化，從而導(dǎo)致發(fā)光波長(zhǎng)漂移。為了提高該平面光源在輻射場(chǎng)環(huán)境下的性能，提出以下改進(jìn)措施：優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)：通過優(yōu)化氮化物材料的結(jié)構(gòu)，如采用應(yīng)變補(bǔ)償量子阱結(jié)構(gòu)或引入緩沖層等，減少輻射損傷的影響。應(yīng)變補(bǔ)償量子阱結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)整阱層和壘層的應(yīng)變狀態(tài)，平衡極化場(chǎng)，減少缺陷的產(chǎn)生，提高材料的抗輻射能力。表面防護(hù)處理：在器件表面涂覆一層抗輻射的防護(hù)層，如二氧化硅（SiO?）薄膜、氮化硅（Si?N?）薄膜等，阻擋高能光子的入射，減少光致?lián)p傷。這些防護(hù)層具有良好的光學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠有效地吸收和散射高能光子，保護(hù)器件內(nèi)部材料免受輻射損傷。引入缺陷修復(fù)機(jī)制：在器件制備過程中，引入缺陷修復(fù)技術(shù)，如退火處理、激光修復(fù)等，及時(shí)修復(fù)輻射產(chǎn)生的缺陷，提高器件性能。退火處理可以通過高溫加熱使缺陷原子重新排列，減少缺陷密度；激光修復(fù)則可以利用激光的能量使缺陷區(qū)域的原子重新結(jié)晶，修復(fù)缺陷。選擇抗輻射材料：在材料選擇上，采用具有較高抗輻射性能的材料，如在氮化物材料中摻雜一些抗輻射元素，如釔（Y）、鈧（Sc）等，提高材料的抗輻射能力。這些元素可以與氮化物材料形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵，增強(qiáng)材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，減少輻射對(duì)材料的損傷。六、多場(chǎng)耦合作用下的退化機(jī)制6.1電場(chǎng)與熱場(chǎng)耦合在氮化物紫外LED的實(shí)際工作過程中，電場(chǎng)與熱場(chǎng)往往同時(shí)存在且相互作用，這種耦合效應(yīng)對(duì)器件性能產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)比單一因素作用更為復(fù)雜。當(dāng)電場(chǎng)與熱場(chǎng)耦合時(shí)，會(huì)對(duì)載流子傳輸和復(fù)合過程產(chǎn)生顯著影響。從載流子傳輸角度來看，熱場(chǎng)的存在會(huì)改變材料的晶格振動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而影響載流子與晶格的相互作用。在高溫下，晶格振動(dòng)加劇，載流子與晶格振動(dòng)的散射作用增強(qiáng)，導(dǎo)致載流子遷移率降低。而電場(chǎng)的存在會(huì)使載流子受到電場(chǎng)力的作用，加速或減速載流子的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電場(chǎng)與熱場(chǎng)耦合時(shí)，載流子不僅要克服晶格散射的阻力，還要受到電場(chǎng)力的作用，這使得載流子的傳輸過程變得更加復(fù)雜。在高電場(chǎng)強(qiáng)度和高溫環(huán)境下，載流子的散射概率增加，遷移率可能會(huì)降低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，嚴(yán)重影響載流子的注入效率和在器件內(nèi)部的傳輸特性。從載流子復(fù)合角度來看，電場(chǎng)與熱場(chǎng)耦合會(huì)影響復(fù)合過程中的能量轉(zhuǎn)移和復(fù)合機(jī)制。熱場(chǎng)會(huì)增加非輻射復(fù)合的概率，如俄歇復(fù)合等。在高溫下，載流子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，載流子之間的碰撞概率增加，使得俄歇復(fù)合更容易發(fā)生。而電場(chǎng)的存在會(huì)改變載流子的分布和能量狀態(tài)，進(jìn)一步影響復(fù)合過程。在電場(chǎng)與熱場(chǎng)的共同作用下，有源層中載流子的復(fù)合過程可能會(huì)發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致輻射復(fù)合效率降低，非輻射復(fù)合增加，從而使器件的發(fā)光效率下降。研究表明，在電場(chǎng)與熱場(chǎng)耦合作用下，非輻射復(fù)合率可能會(huì)增加數(shù)倍甚至數(shù)十倍，使得發(fā)光效率大幅降低。電場(chǎng)與熱場(chǎng)耦合還會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生，對(duì)材料的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生不利影響。當(dāng)器件工作時(shí)，由于電場(chǎng)作用下的電流通過會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，加上熱場(chǎng)本身的作用，會(huì)使器件溫度升高。不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，在溫度升高時(shí)，材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。在氮化物紫外LED中，藍(lán)寶石襯底與氮化鎵外延層的熱膨脹系數(shù)存在差異，在溫度升高時(shí)，會(huì)在兩者的界面處產(chǎn)生熱應(yīng)力。這種熱應(yīng)力會(huì)隨著電場(chǎng)強(qiáng)度和溫度的變化而變化，當(dāng)熱應(yīng)力超過材料的承受極限時(shí)，會(huì)導(dǎo)致材料晶格發(fā)生畸變，產(chǎn)生位錯(cuò)等缺陷，進(jìn)而影響器件的性能。熱應(yīng)力還可能導(dǎo)致材料內(nèi)部的化學(xué)鍵斷裂，改變材料的電學(xué)和光學(xué)性能。研究表明，熱應(yīng)力會(huì)使氮化物材料的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子的遷移率降低，復(fù)合效率下降，從而降低器件的發(fā)光效率。為了更直觀地理解電場(chǎng)與熱場(chǎng)耦合對(duì)器件性能的協(xié)同影響，我們可以通過具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在某一實(shí)驗(yàn)中，對(duì)氮化物紫外LED施加不同強(qiáng)度的電場(chǎng)，并在不同溫度下進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果顯示，在單獨(dú)施加電場(chǎng)時(shí)，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，器件的發(fā)光效率逐漸下降。而在單獨(dú)升高溫度時(shí)，發(fā)光效率也會(huì)下降。當(dāng)電場(chǎng)與熱場(chǎng)同時(shí)作用時(shí)，發(fā)光效率的下降幅度明顯大于單獨(dú)作用時(shí)的情況。在電場(chǎng)強(qiáng)度為E、溫度為T_1時(shí)，發(fā)光效率下降了\Delta\eta_1；在電場(chǎng)強(qiáng)度不變，溫度升高到T_2時(shí)，發(fā)光效率下降了\Delta\eta_2；而當(dāng)電場(chǎng)與熱場(chǎng)同時(shí)作用，電場(chǎng)強(qiáng)度為E、溫度為T_2時(shí)，發(fā)光效率下降了\Delta\eta_3，且\Delta\eta_3\gt\Delta\eta_1+\Delta\eta_2。這表明電場(chǎng)與熱場(chǎng)的耦合作用對(duì)發(fā)光效率的影響具有協(xié)同增強(qiáng)的效應(yīng)，會(huì)使器件性能下降得更快。6.2電場(chǎng)與輻射場(chǎng)耦合在氮化物紫外LED的實(shí)際工作環(huán)境中，電場(chǎng)與輻射場(chǎng)常常同時(shí)存在，它們之間的耦合作用對(duì)器件性能產(chǎn)生的影響十分復(fù)雜。從光生載流子產(chǎn)生的角度來看，電場(chǎng)與輻射場(chǎng)耦合會(huì)改變載流子的產(chǎn)生過程。輻射場(chǎng)中的高能光子會(huì)使氮化物材料產(chǎn)生光生載流子，而電場(chǎng)的存在會(huì)影響光生載流子的分離和傳輸。在電場(chǎng)的作用下，光生電子和空穴會(huì)受到電場(chǎng)力的作用，分別向不同的方向運(yùn)動(dòng)，從而改變了它們?cè)诓牧现械姆植己蛷?fù)合概率。研究表明，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，光生載流子的分離效率會(huì)提高，但同時(shí)也會(huì)增加載流子與材料中的雜質(zhì)和缺陷的碰撞概率，導(dǎo)致部分載流子被捕獲，從而減少了參與復(fù)合發(fā)光的載流子數(shù)量。電場(chǎng)與輻射場(chǎng)耦合對(duì)載流子復(fù)合過程也有著顯著影響。輻射場(chǎng)導(dǎo)致的缺陷會(huì)增加非輻射復(fù)合的概率，而電場(chǎng)會(huì)改變載流子在缺陷能級(jí)上的分布和復(fù)合方式。在電場(chǎng)與輻射場(chǎng)的共同作用下，載流子可能會(huì)更容易被缺陷捕獲，通過非輻射復(fù)合的方式釋放能量，從而降低輻射復(fù)合效率。當(dāng)材料中存在缺陷時(shí)，電場(chǎng)會(huì)使載流子在缺陷能級(jí)上的分布發(fā)生變化，使得載流子更容易在缺陷處復(fù)合，導(dǎo)致非輻射復(fù)合增加。研究發(fā)現(xiàn)，在電場(chǎng)與輻射場(chǎng)耦合作用下，非輻射復(fù)合率可能會(huì)比單獨(dú)輻射場(chǎng)作用時(shí)增加數(shù)倍，嚴(yán)重降低了器件的發(fā)光效率。光致?lián)p傷在電場(chǎng)與輻射場(chǎng)耦合下也會(huì)發(fā)生變化。輻射場(chǎng)本身會(huì)導(dǎo)致材料產(chǎn)生光致?lián)p傷，形成缺陷，而電場(chǎng)會(huì)加速缺陷的產(chǎn)生和擴(kuò)展。電場(chǎng)的存在會(huì)使材料中的電子獲得更高的能量，當(dāng)這些高能電子與晶格原子碰撞時(shí)，更容易產(chǎn)生缺陷。電場(chǎng)還會(huì)使缺陷處的電場(chǎng)分布發(fā)生變化，導(dǎo)致缺陷周圍的原子更容易發(fā)生位移，進(jìn)一步擴(kuò)大缺陷的范圍。在電場(chǎng)與輻射場(chǎng)的共同作用下，材料中的缺陷密度可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速增加，對(duì)器件性能產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響。為了更直觀地理解電場(chǎng)與輻射場(chǎng)耦合對(duì)器件性能的綜合影響，我們可以通過具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在某一實(shí)驗(yàn)中，對(duì)氮化物紫外LED施加不同強(qiáng)度的電場(chǎng)，并在輻射場(chǎng)環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果顯示，在單獨(dú)輻射場(chǎng)作用時(shí)，器件的發(fā)光效率隨著輻射時(shí)間的增加逐漸下降。而當(dāng)電場(chǎng)與輻射場(chǎng)同時(shí)作用時(shí)，發(fā)光效率的下降速度明顯加快。在電場(chǎng)強(qiáng)度為E、輻射時(shí)間為t_1時(shí)，發(fā)光效率下降了\Delta\eta_1；在單獨(dú)輻射場(chǎng)作用，輻射時(shí)間為t_1時(shí)，發(fā)光效率下降了\Delta\eta_2；而當(dāng)電場(chǎng)與輻射場(chǎng)同時(shí)作用，電場(chǎng)強(qiáng)度為E、輻射時(shí)間為t_1時(shí)，發(fā)光效率下降了\Delta\eta_3，且\Delta\eta_3\gt\Delta\eta_2。這表明電場(chǎng)與輻射場(chǎng)的耦合作用會(huì)使器件性能下降得更快，對(duì)器件的可靠性和使用壽命產(chǎn)生更大的威脅。6.3熱場(chǎng)與輻射場(chǎng)耦合在氮化物紫外LED的實(shí)際應(yīng)用中，熱場(chǎng)與輻射場(chǎng)常常同時(shí)存在，它們之間的耦合作用對(duì)器件性能產(chǎn)生著復(fù)雜而重要的影響。熱場(chǎng)與輻射場(chǎng)耦合會(huì)對(duì)材料的熱穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。輻射場(chǎng)中的高能粒子或光子與材料相互作用，會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部原子的位移和晶格結(jié)構(gòu)的變化，從而改變材料的熱學(xué)性質(zhì)。當(dāng)材料受到輻射損傷時(shí)，晶格的完整性被破壞，原子間的鍵能發(fā)生變化，這會(huì)影響材料的熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率。研究表明，在輻射場(chǎng)作用下，氮化物材料的熱膨脹系數(shù)可能會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致在溫度變化時(shí)材料內(nèi)部產(chǎn)生更大的熱應(yīng)力。熱導(dǎo)率也可能會(huì)降低，使得熱量在材料內(nèi)部的傳導(dǎo)變得更加困難，進(jìn)一步加劇了熱場(chǎng)的不均勻性，影響器件的熱穩(wěn)定性。熱場(chǎng)與輻射場(chǎng)耦合還會(huì)影響材料的光吸收和發(fā)射特性。輻射場(chǎng)中的高能光子會(huì)使材料產(chǎn)生光生載流子，這些光生載流子會(huì)改變材料的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。在熱場(chǎng)的作用下，載流子的運(yùn)動(dòng)和復(fù)合過程會(huì)發(fā)生變化，從而影響光的吸收和發(fā)射。當(dāng)溫度升高時(shí)，載流子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，它們與晶格的相互作用增強(qiáng)，導(dǎo)致光吸收和發(fā)射的效率發(fā)生改變。熱場(chǎng)還會(huì)影響材料的能帶結(jié)構(gòu)，使得電子與空穴的能量狀態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)一步影響光的發(fā)射波長(zhǎng)和強(qiáng)度。這種耦合作用對(duì)器件可靠性也有著重要影響。熱場(chǎng)與輻射場(chǎng)的共同作用會(huì)加速材料的老化和損傷，導(dǎo)致器件性能逐漸下降，最終影響器件的使用壽命。輻射場(chǎng)導(dǎo)致的缺陷會(huì)成為熱應(yīng)力的集中點(diǎn)，在熱場(chǎng)的作用下，這些缺陷會(huì)不斷擴(kuò)展和聚集，進(jìn)一步破壞材料的結(jié)構(gòu)和性能。熱場(chǎng)與輻射場(chǎng)耦合還可能導(dǎo)致器件內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)加劇，如氧化、腐蝕等，這些化學(xué)反應(yīng)會(huì)改變材料的成分和性質(zhì)，降低器件的可靠性。為了更直觀地理解熱場(chǎng)與輻射場(chǎng)耦合對(duì)器件性能的影響，我們可以通過具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在某一實(shí)驗(yàn)中，對(duì)氮化物紫外LED在熱場(chǎng)和輻射場(chǎng)共同作用下進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果顯示，在單獨(dú)熱場(chǎng)作用下，器件的發(fā)光效率在一定時(shí)間內(nèi)下降了\Delta\eta_1；在單獨(dú)輻射場(chǎng)作用下，發(fā)光效率下降了\Delta\eta_2；而當(dāng)熱場(chǎng)與輻射場(chǎng)同時(shí)作用時(shí)，發(fā)光效率下降了\Delta\eta_3，且\Delta\eta_3\gt\Delta\eta_1+\Delta\eta_2。這表明熱場(chǎng)與輻射場(chǎng)的耦合作用對(duì)發(fā)光效率的影響具有協(xié)同增強(qiáng)的效應(yīng)，會(huì)使器件性能下降得更快。6.4多場(chǎng)耦合案例分析以某型號(hào)的氮化物紫外LED在空間環(huán)境中的應(yīng)用為例，該器件在空間中會(huì)同時(shí)受到電場(chǎng)、熱場(chǎng)和輻射場(chǎng)的作用。在衛(wèi)星搭載的紫外探測(cè)系統(tǒng)中，該型號(hào)氮化物紫外LED需要在復(fù)雜的多場(chǎng)環(huán)境下穩(wěn)定工作，其性能直接影響到探測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。在電場(chǎng)方面，由于衛(wèi)星內(nèi)部的電子系統(tǒng)工作，會(huì)產(chǎn)生一定的電場(chǎng)，該電場(chǎng)強(qiáng)度在E_{1}到E_{2}之間波動(dòng)。熱場(chǎng)則主要來源于衛(wèi)星在軌道運(yùn)行時(shí)受到的太陽輻射以及器件自身工作產(chǎn)生的熱量，使得器件的結(jié)溫在T_{1}到T_{2}之間變化。輻射場(chǎng)主要包括宇宙射線中的高