1、收稿日期：基金项目：国家重点研发计划（）通信作者：吴朝兴，教授，博士，主要从事纳米像元发光显示、神经元显示和智能电子研究。：.电子元件与材料 第 卷.第 期.月 年高频驱动 的频率响应特性研究郑俊杰，郭家玮，李文豪，吴朝兴，郭太良，（.福州大学 物理与信息工程学院，福建 福州；.中国福建光电信息科学与技术创新实验室（闽都创新实验室），福建 福州）摘 要：高刷新率显示器对氮化镓基发光二极管（）驱动频率提出更高的要求，因此研究 的频率响应特性具有重要意义。研究了方波交流电压驱动下 发光强度的频率响应特性。结果表明，的发光强度波形与电压波形存在固定的迟滞时间（约 ），且该迟滞时间不随驱动频率改变。在
2、所施加的交流驱动频率范围内（），发光强度呈现四个不同的区域：即随着频率的升高，发光强度先保持稳定，随后下降，再次上升，最后衰减直至停止工作。文中阐述了形成四个区域的原因。该研究有望为基于 的超高帧速率显示器件驱动设计提供依据。关键词：；频率响应特性；发光强度；载流子迁移中图分类号：文献标识码：.引用格式：郑俊杰，郭家玮，李文豪，等 高频驱动 的频率响应特性研究 电子元件与材料，（）：.：，（）：.，（.，；.，）：（），：；作为固态光源，在信息显示、通信、农业、医学等领域具有广泛的应用前景。最近，以 为基础的新型显示技术广泛应用于车辆显示器、智能手机、微型投影仪、超高清电视、数码相机等先进设备
3、，具有千亿美元级别的市场规模，是中国战略性高新科技领域的基础性产业。因此，基于 的电子元件与材料显示技术被认为是未来显示中最具潜力的创新技术。随着 显示技术的发展，交流驱动 获得了广泛的关注。例如，基于惠斯通和梯形桥电路所设计的 芯片在交流模式下具有良好的性能，有望作为低功耗显示器的背光源。等提出了一种交流模式下 的热表征方法，这对评估 封装性能具有指导作用。冯伟峰等证实了 在矩形电流模式下具有最高的光输出，该电流模式有希望作为低功耗显示器的驱动模式。因此，交流驱动 的发展将促进设备性能的提升和增加 的应用价值。此外，先进发光、显示技术推动了高频驱动 的发展。例如，基于 显示器可以为每个像素提
4、供数字控制驱动器，从而实现 帧速率投射图案。等提出 了一种超 高帧速率的 显示架构，进而制造出 帧速率的显示屏。通过使用切换频率为兆赫兹的，满足超高分辨率显微镜对照明光源的需求。尽管高频驱动 是一个新兴的研究方向，但是有关 发光强度与频率的关系研究较少。因此，揭示驱动频率对交流模式下 发光强度的影响具有重要意义。本项工作中使用具有宽禁带、高电子漂移速率、化学稳定性强的 作为发射体，研究方波交流电压下 发光强度的频率响应特性。研究表明，发光强度波形与电压波形存在迟滞时间，并且随着频率的增大，迟滞时间维持在 附近。此外，交流驱动频率范围内（）发光强度呈现四个不同的区域：即随着频率的升高，发光强度先
5、保持稳定，随后下降，再次上升，最后衰减直至停止工作。其中，串联电阻会引起四个区域的改变。本文阐述了随着驱动频率的增加，形成四个区域的原因是电子和空穴的扩散系数不同，导致电子和空穴在多量子阱区域的浓度变化存在显著差异，从而引起复合区域的改变。实验实验使用的（购买自福建兆元光电有限公司）从上到下的主要结构包括了（）、层（）、多量子阱（）、（.）、半导体层（.）和 缓冲层（）等。和 都采用了 进行掺杂，掺杂浓度为。采用了 进行掺杂，掺杂浓度为。多量子阱的结构从上到下包括了.（）（，组）和.（）（，.，组），其中 组表示使用该结构重复了五次，如图（）所示。由函数信号发生器（）产生的方波交流电压驱动，驱
6、动电压为 ，驱动频率为 。所用方波的正向幅值为，负向幅值为。用 进行测试是因为 在 电压下已经具有较高的发光强度。考虑到 阵列在实际应用中会出现比较复杂的串并联结构，这会造成部分 处于 偏压时，另外部分的 会处于 偏压。因此，最终情况是 会工作在 到。因此，选择从 到 测试。使用光电探测器（）采集 发光强度。使用示波器（）记录 发光强度和施加电压。所有测量均在室温无外界环境光条件下进行。结果与讨论由图（）可知，当 的方波电压施加在 两端时，观测到发光强度波形与电压波形存在迟滞时间约为 。虽然迟滞时间很小，但表明了发光强度波形会滞后电压波形。此外，依据器件的工作机制可知，处于正向偏置会降低器件内
7、部的势垒高度，引起多数载流子向量子阱扩散，从而实现电子和空穴在多量子阱中相遇和辐射复合。然而，由于器件内载流子从扩散到复合产生光子需一定的时长，这造成了两个波形不在同一时刻产生。因此，迟滞时间与载流子的扩散和复合有关，对迟滞时间内 的发光强度展开分析，如图（）所示。在 时 处于正向偏置，器件内电子和空穴开始向多量子阱内移动；随后在 时刻，部分的载流子填充到量子阱中，另一部分载流子继续扩散；直至 时刻载流子填充到各个量子阱内以辐射复合的方式产生光子。为了解迟滞时间与驱动频率的关系，分析了不同频率下发光强度波形与电压波形的时延，如图（）（）所示。在不同的频率中观测到发光强度波形始终滞后于电压波形，
8、两个波形的迟滞时间均在 范围内。因此，可以认为该迟滞时间与频率无显著的对应关系。载流子的扩散和复合是造成该迟滞的更重要因素。当载流子的扩散系数和复合机率增大时，迟滞时间将减小。根据以上分析，在高频 的驱动设计中要确保正电压脉冲的持续时间大于该迟滞时间，否则会导致 的发光亮度达不到预期值。郑俊杰，等：高频驱动 的频率响应特性研究图 （）的结构示意图；（）发光峰与电压的波形图；（）发光机理示意图.（）；（）；（）（）；（）；（）；（）图 不同频率下发光峰与电压的波形图.尽管提高驱动频率对迟滞时间无显著影响，但 发光强度会产生较大的变化，如图 所示。在交流频率范围内，发光强度呈现四个不同的区域。即：
9、在较低频率范围内（区域），发光强度基本不变，称为稳定区；随着频率增大，器件进入到区域中，发光强度不断降低，称为下降区；当频率进一步增大到区域内，发光强度有所升高，称为回升区；当器件工作在区域中，发光强度大幅度降低，称为衰减区。随着频率的增加，发光强度呈现四个区域的原因是电子和空穴的扩散系数不同，导致电子和空穴在多量子阱区域的浓度变化存在显著差异，从而引起复合区域的改变。此外，由图 可知频率低于 时，发光强度保持相对稳定。图 发光强度与频率关系.电子元件与材料由于 发光强度取决于注入到多量子阱内的载流子数量，而注入的载流子数量与 两端电压有关。因此，为了研究 两端电压对高频驱动下 发光强度的影响
10、，通过串联不同阻值的金属膜电阻进行分压测试。由图 可知，对于串联电阻为 的，其发光强度下降区起始于 ，这小于无电阻 发光强度的下降区起始频率（），此外存在回升区，只是无法恢复到初始的发光强度。对于串联电阻为 的，其发光强度仅存在稳定区和衰减区，并且从频率为 开始急剧衰减。实验结果表明了调整电阻阻值会改变四个区域的产生以及消失，造成该现象的原因是串联低功率的有感电阻。该电阻阻值取决于沉积在瓷管上槽的圈数，这会导致不同阻值的电阻感抗存在差异。此外，感抗随着频率的升高而不断增大，进而降低 两端电压。因此，高频交流电压驱动 时，不能采用低功率的金属膜电阻进行分压。这是因为金属膜电阻会给 驱动回路引入感
11、抗，显著影响 的高频特性。图 不同串联电阻下 发光强度频率关系.由上述研究可知，发光强度随着频率的升高会形成四个区域，造成该现象的原因是电子和空穴扩散系数不同导致复合区域的转变。在此基础上，通过扩散系数相关的公式进一步了解复合区域的转变。其中扩散系数与迁移率有关，迁移率可由公式（）得出：（）式中：是电子电荷；是电子平均自由程；是电子有效质量；是玻尔兹曼常数；是热力学温度。因而扩散系数可用公式（）得出：（）式中：是电子扩散系数。研究表明 中空穴最大迁移速率为 （），电子最大迁移速率为 （），通过公式（）可以得出 大约是 的 倍。尽管对 进行不同浓度的掺杂会改变载流子的扩散系数，但 内部的 始终大
12、于。因此，在电压驱动下 内部的电子会比空穴更快扩散到多量子阱内。这会造成电子和空穴在多量子阱中分布不均。此外，提高频率会降低载流子扩散时间，加剧多量子阱内载流子分布不均，从而引起复合区域的改变。因此，发光强度随频率的增大会呈现四个区域。在四个区域中的载流子传输如图 所示。在较低的频率范围内（稳定区），外部电路的载流子不断注入到 两端，并且电子和空穴分别从 和 向多量子阱内扩散，如图（）所示。由于扩散时间充足，电子和空穴可以扩散到每个量子阱中，进而 发光强度取决于多量子阱中参与辐射复合的载流子数量。随着频率升高，器件进入到下降区会导致交流电压正周期下降，从而缩短了载流子扩散的距离。扩散系数较小的
13、空穴已无法扩散到靠近 端的量子阱中，如图（）所示。在多量子阱中，参与辐射复合的载流子数量因空穴数量的下降而减少，进而降低 发光亮度。当频率进一步升高，交流电压周期继续下降，导致载流子的扩散距离缩短。造成空穴主要分布在多量子阱中间区域和 端附近的量子阱内，进而载流子的复合区域集中在空穴分布的量子阱中，如图（）所示。虽然复合区域转变为靠近 附近的量子阱中，但研究表明载流子复合概率最大的地方位于靠近 端的量子阱内。此外，靠近 端的量子阱辐射复合速率约为.，这是靠近 端量子阱复合速率的二十倍。因此，尽管此时位于多量子阱中的载流子数量较低频时少，但由于靠近 端的量子阱内电子和空穴辐射复合效率高，从而引起
14、 发光强度的升高（此时器件工作在回升区）。当器件工作在衰减区内，由于交流电压周期进一步下降，扩散系数较大的电子已无法扩散到靠近 端的量子阱中，如图 郑俊杰，等：高频驱动 的频率响应特性研究（）所示。虽然电子和空穴的复合主要集中在靠近 端的量子阱内，但仅有极少的电子和空穴参与辐射复合，造成 发光强度大幅度的衰减。随着频率进一步增大，电子和空穴已无法在量子阱内相遇并复合，发光停止。上述分析表明了提高频率会改变载流子的复合区域，造成 发光强度呈现四个不同的区域。图 电子空穴传输示意图。（）稳定区；（）下降区；（）回升区；（）衰减区.（）；（）；（）；（）结论本文研究了方波交流电压下 发光强度的频率响
15、应特性。实验结果表明，电压正周期中 发光强度波形与电压波形存在一定的延迟，迟滞时间维持在 左右，且不随频率变化。此外，在交流驱动频率范围内（），观测到 发光强度随着频率的升高，先保持稳定，随后下降，再次上升，最后衰减直至停止工作，呈现四个不同的区域。而串联不同阻值电阻会导致四个区域的改变。随着驱动频率的增加，形成四个光强响应区域的原因是由于电子和空穴的扩散系数不同，导致电子和空穴在多量子阱区域的浓度变化存在显著差异，从而引起复合区域的变化。本工作有望为基于 的超高帧速率显示器件驱动设计提供依据。参考文献：，（）：.，（）：.，：，（）：.，：，（）：.，：，（）：.，：，：.，（）：.，（）：.高伟男，毕勇，刘新厚，等 我国新型显示关键材料发展战略研究 中国工程科学，（）：.，（）：.，（），（）：.，：.电子元件与材料，（）：.，（）：.，（）：.，（）：.，：，（）：.，（）：.，：.，（）：.，（）：.，（）：.，（）：.，（）：.，（）：.林志霆 衬底上大功率 基 的外延结构设计与器件制备 广州：华南理工大学，.，（）：.曹常锐 高效 基蓝光 的载流子输运和复合机制研究 扬州：扬州大学，.（上接第 页），：，（）：.，（）：.，（）：.，（）：.，（）：.，（）：.，（）：.，（）：.，：，（）：.，：.
