大功率GaN基发光二极管的电流扩展效应及电极结构优化研究

定性分析了GaN基LED的电流扩展效应,发现电流密度和电流横向扩展的有效长度对电流均匀扩展有很大影响.基于此,对GaN基大功率LED提出了优化的电极结构,以减缓电流拥挤效应,降低器件串联电阻.通过用红外热像仪测量器件表面的温度分布,发现具有优化的环形插指电极结构的GaN基大功率LED表面温度分布比较均匀,证明芯片接触处电流扩展均匀,局部电流密度降低,减小了焦耳热的产生,增强了器件的可靠性. 关键词： 氮化镓 发光二极管 电流扩展 电极结构优化     

大功率GaN基发光二极管的电流扩展效应及电极结构优化研究

定性分析了GaN基LED的电流扩展效应，发现电流密度和电流横向扩展的有效长度对电流均匀扩展有很大影响.基于此，对GaN基大功率LED提出了优化的电极结构，以减缓电流拥挤效应，降低器件串联电阻.通过用红外热像仪测量器件表面的温度分布，发现具有优化的环形插指电极结构的GaN基大功率LED表面温度分布比较均匀，证明芯片接触处电流扩展均匀，局部电流密度降低，减小了焦耳热的产生，增强了器件的可靠性.     

ICP刻蚀工艺对LED阵列电流输运特性的影响

在制备串联高压LED阵列工艺中,ICP刻蚀工艺引起的漏电与断路问题是高压LED电流输运特性中的核心问题。本文着重从刻蚀深度、掩模材料以及隔离槽制备方面分析了ICP刻蚀工艺对高压LED的漏电、电极开路等电流输运问题的影响。通过随机抽取样品进行电学测试并结合SEM观测,对比了不同工艺过程,得出ICP工艺是导致串联高压LED阵列中可靠性问题的主要原因。并通过优选ICP刻蚀工艺,使高压LED电流输运特性得以改善,制备出~12 V的四串联高压LED阵列器件。     

具有电流阻挡层的不同GaN基LED的光电特性(英文)

研究对比了InGaN/GaN多量子阱发光二极管中p电极下的不同SiO2电流阻挡层的光电特性。6种样品被分为3组:普通表面、表面粗化、表面粗化+边墙腐蚀。每组都有两种结构,一种具有电流阻挡层,另一种没有电流阻挡层。每组中,具有电流阻挡层的LED在20 mA下的正向电压分别为3.156,3.282,3.284 V,略高于不含电流阻挡层的样品(Vf=3.105,3.205,3.210 V).但是,具有电流阻挡层的LED的光效和光功率要优于无电流阻挡层的器件,在20 mA下的光功率分别提高了10.20%、12.19%和11.49%。这些性能的提升都要归功于电流阻挡层良好的电流扩展效应,同时电流阻挡层还可以减小p电极下的寄生光吸收。     

GaN基LED电流扩展的有限元模型及电极结构优化

针对目前蓝宝石衬底上外延生长制备的GaN基半导体发光二极管(LED)器件存在电流分布不均匀的问题,建立了LED的电流扩展模型,提出了定量评价其特性的参数和标准。通过用有限元方法计算LED中电流的三维空间分布,对不同的电极结构进行了定量的比较,给出了优化的电极结构。计算结果显示,在相同工艺参数下,采用插指型电极结构的LED与采用传统型电极结构和扩展正极型电极结构的LED相比,电流扩展更均匀,串联电阻更小。在此基础上,对插指型电极结构作了进一步的参数优化,得出了使LED的串联电阻取最小值时的插指型电极的结构参数。根据优化得到的参数制作了相应的LED样品,并与采用扩展正极型电极结构的LED做了对比实验。实验结果表明,计算得出的结果与实验结果符合得很好。采用了优化后的插指型电极结构的LED与采用扩展正极型电极结构的LED相比,前者的串联电阻仅为后者的44.4%。     

电流阻挡层对大功率LED光电热特性的影响

LED芯片作为LED光源的核心,其质量直接决定了器件的性能、寿命等,因此在内量子效率已达到高水平的情况下,致力于提高光提取效率是推动LED芯片技术发展的关键一步。由于蓝宝石衬底具有绝缘特性,传统LED将N和P电极做在芯片出光面的同一侧,而芯片出光面上的P电极焊盘金属会遮挡吸收其正下方发光区发出的大部分光而造成光损失,为改善这一现象并缓解P电极周围的电流拥挤效应,本文设计制备了在P电极正下方的氧化铟锡(ITO)透明导电层和p-GaN之间插入SiO_2薄膜作为电流阻挡层(CBL)的大功率LED,并与无CBL结构的大功率LED相比较。对未封装的有无CBL结构的LED在350 mA电流下进行正向偏压,辐射通量,主波长等裸芯性能测试,结果显示两种芯片的正向偏压均集中在3～3.1 V,而有CBL结构的LED光输出功率有明显提升,这是因为CBL阻挡了电流在P电极正下方的扩散,减少流向有源区的电流密度,故减小了P电极对光的吸收和遮挡,且电流通过CBL引导至远离P电极的区域,缓解了电极周围的电流拥挤。对两种芯片进行相同结构和工艺条件的封装,并对封装样品进行热特性及10～600 mA的变电流光电特性测试,得到两种器件的发光光谱及光功率等光学特性。结果表明随着电流增加,两种器件的光谱曲线均发生蓝移,且有CBL结构的LED主波长偏移量较无CBL结构LED少10 nm,可见有CBL结构的LED光谱受驱动电流变化的影响更小,因此其显色性能更为稳定。而在小电流条件下, CBL对器件光功率的影响不大,随着工作电流的增大, CBL对器件光功率的改善效果逐渐提升。在大电流条件下,无CBL结构的LED结温更高,正向电压更低,随电流的增大二者之间的电压差增大。在25℃的环境温度, 350 mA工作电流下,加入CBL结构使器件电压升高约0.04 V,但器件光功率最高提升了9.96%,且热阻明显小于无CBL结构器件,说明有CBL结构LED产热更少。因此CBL结构大大提高了器件的光提取效率,并使其光谱漂移更小,显色性能更为稳定。     

静电对GaN基高压LED特性的影响

对GaN基绿光高压LED分别施加-500、-1 000、-2 000、-3 000、-4 000、-5 000和-6 000V的反向人体模式静电打击,每次静电打击后,测量样品的I-V特性曲线及光通量等参量,研究静电打击对GaN基高压LED器件性能的影响.结果表明:当样品经过-500,-1 000、-2 000、-3 000和-4 000V的静电打击后,由于LED器件内部产生了缺陷,发生了软击穿并且反向漏电流明显增加,但光通量的变化不明显;当经过-5 000V和-6 000V的静电打击后,由于发生了热模式击穿,温度迅速升高,在结区形成熔融通道,使LED的光通量明显减小,甚至衰减到未打击时的一半;在经受-6 000V的静电打击后,正向电压的减小和反向漏电流的增加更加明显,漏电现象更加明显,严重影响了器件的性能,最终使LED样品失效.     

插指型SiO_2电流阻挡层对大功率LED外量子效率的影响

为了改善蓝光大功率LED芯片p电极处的电流拥挤现象,提高大功率LED芯片的外量子效率,在ITO透明导电层与p-GaN间沉积插指型SiO_2电流阻挡层。采用等离子体增强化学气相沉积的方法沉积SiO_2薄膜,再经过光刻和BOE湿法刻蚀技术制备插指型SiO_2电流阻挡层。采用SimuLED仿真软件分析插指型SiO_2电流阻挡层对大功率LED芯片电流扩展性能的影响,研究插指型SiO_2电流阻挡层对大功率LED芯片外量子效率的影响。结果发现,插指型SiO_2电流阻挡层结构可以有效改善p电极附近的电流拥挤现象。与没有沉积插指型SiO_2电流阻挡层的大功率LED芯片相比,光输出功率得到显著的提高。在350 mA的输入电流下,沉积插指型SiO_2电流阻挡层后的大功率LED芯片的外量子效率提高了18.7%。     

电流主动导引结构倒装AlGaInP LED

设计并制备了一种带有电流导引结构的新型倒装AlGaInP LED。实验结果表明,在20mA直流电流注入下,器件的电压为2.19V,输出光功率与普通倒装器件相比提高了17.33%。通过电流导引结构,使得器件注入电流被主动引导到电极以外部分,有效增大了上电极以外部分有源区中用于发光的有效载流子数目的比例,同时减轻了电流密度过大现象,大大提高了器件的出光效率。     

基于石墨烯-ZnO纳米线的复合电极在GaN LED中的应用

使用一维ZnO纳米线和二维石墨烯复合结构集成到p-GaN表面来同时实现电流扩展和提高LED光提取效率。通过两组有无ZnO纳米线器件的对比,发现ZnO纳米线使器件的光提取效率提高了30%.通过分析两组器件的开启电压、工作电压和反向漏电流等关键参数,验证了本结构应用于GaN LED不会恶化其电性能。本文所采用的复合结构用于GaN LED,同时达到了良好欧姆接触、避免使用ITO和增强出光的效果。     

GaN基高压发光二极管理想因子与单元个数关系研究

理想因子能够反映电流、载流子泄漏以及缺陷导致的非辐射复合等现象. 针对目前报道的GaN基发光二极管的理想因子的问题, 通过对高压发光二极管I-V曲线的拟合计算出了理想因子n的数值, 分别讨论了12 V, 19 V, 51 V 和80 V GaN基高压发光二极管的理想因子与其结构中串联晶粒个数的关系, 分析了理想因子大小与光谱半高宽(FWHM)的变化关系. 另外, 还对电流拥挤效应对理想因子的影响进行了分析. 结果表明: 高压发光二极管理想因子n随串联晶粒个数的增加几乎为线性规律增加, 高压发光二极管理想因子n是由其串联单元理想因子之和构成的. 这对GaN基高压发光二极管理想因子的研究具有参考价值.     

AlGaInP大功率发光二极管发光效率与结温的关系

目前,AlGaInP大功率发光二极管(LED)存在的主要问题是大电流工作时发热严重,主要是由于电流扩展不均匀、出光面电极对光子的阻挡和吸收以及器件材料与空气折射率之间的差距引起的全反射现象,这些因素造成大功率LED出光受到限制、发光效率低、亮度不高.提出了一种复合电流扩展层和复合分布式布拉格反射层(DBR)的新型结构LED,使得注入电流在有源区充分地扩散,同时提高了常规单DBR对光子的反射率.结果显示,这种新型结构LED比常规结构LED的性能得到了很大的提升,350 mA注入电流下两者的输出光功率分别为4 关键词： 复合电流扩展层 复合分布式布拉格反射层 出光效率 结温     

GaN基功率LED电应力老化早期的退化特性

对InGaN/GaN多量子阱蓝光和绿光LED进行了室温900 mA电流下的电应力老化,发现蓝光LED老化到24h隧穿电流最小,绿光LED到6h隧穿电流最小;同时,两种LED的反向漏电也最小、光通量最大,随后绿光LED的反向漏电增加较快且光通量衰减较快.把热退火效应和电应力下缺陷的产生分别看成正负加速因子,绿光LED的负...     

Numerical Simulation on Thermal-Electrical Characteristics and Electrode Patterns of GaN LEDs with Graphene/NiO_x Hybrid Electrode

The thermal-electrical characteristic of a GaN light-emitting diode(LED) with the hybrid transparent conductive layers(TCLs) of graphene(Gr) and NiO_x is investigated by a finite element method.It is indicated that the LED with the compound TCL of 3-layer Gr and 1 nm NiO_x has the best thermal-electrical performance from the view point of the maximum temperature and the current density deviation of multiple quantum wells,and the maximum temperature occurs near the n-electrode rather than p-electrode.Furthermore,to depress the current crowding on the LED,the electrode pattern parameters including p- and n-electrode length,p-electrode buried depth and the distance of n-electrode to active area are optimized.It is found that either increasing p- or n-electrode length and buried depth or decreasing the distance of n-electrode from the active area will decrease the temperature of the LED,while the increase of the n-electrode length has more prominent effect.Typically,when the n-electrode length increases to 0.8 times of the chip size,the temperature of the GaN LED with the1 nm NiO_x/3-layer-Gr hybrid TCLs could drop about 7K and the current density uniformity could increase by23.8%,compared to 0.4 times of the chip size.This new finding will be beneficial for improvement of the thermalelectrical performance of LEDs with various conductive TCLs such as NiO_x/Gr or ITO/Gr as current spreading layers.     

Simulation on effect of metal/graphene hybrid transparent electrode on characteristics of GaN light emitting diodes

In order to decrease the Schottky barrier height and sheet resistance between graphene(Gr) and the p-GaN layers in GaN-based light-emitting diodes(LEDs), some transparent thin films with good conductivity and large work function are essential to insert into Gr and p-GaN layers. In this work, the ultra-thin films of four metals(silver(Ag), golden(Au), nickel(Ni), platinum(Pt)) are explored to introduce as a bridge layer into Gr and p-GaN, respectively. The effect of a different combination of Gr/metal transparent conductive layers(TCLs) on the electrical, optical, and thermal characteristics of LED was investigated by the finite element methods. It is found that both the TCLs transmittance and the surface temperature of the LED chip reduces with the increase of the metal thickness, and the transmittance decreases to about 80% with the metal thickness increasing to 2 nm. The surface temperature distribution, operation voltage, and optical output power of the LED chips with different metal/Gr combination were calculated and analyzed. Based on the electrical, optical, and thermal performance of LEDs, it is found that 1.5-nm Ag or Ni or Pt, but 1-nm Au combined with 3 layered(L) Gr is the optimal Gr/metal hybrid transparent and current spreading electrode for ultra-violet(UV) or near-UV LEDs.     

Simulation of current spreading for GaN-based light-emitting diodes

Uniform current spreading is crucial for the performance of light-emitting diodes (LEDs). It has been reported that the reliability and light distribution are affected by non-uniform current spreading. In this paper, the impact of different electrode patterns on the performance of LED chips is investigated. A hybrid modeling method is employed to analyze the electrical and thermal characteristics of LEDs with two different electrode mesa structures. Corresponding experiments are also carried out to validate the calculation results. It is found that increasing amount of p-electrodes in interdigitated electrode patterns is effective in improving the performance of LEDs.     

注入电流对绿光高压LED光电特性的影响

设计并制备了12 V 的GaN基绿光高压发光二极管（LED）,并对其进行了变电流测试。研究了绿光高压LED的正向电压、峰值波长、光功率以及光效等重要参数随注入电流的变化关系,电流变化范围为3~50 mA,测试温度为25 ℃。实验结果表明：电流对绿光高压LED的光电特性有很大影响。在驱动电流为20 mA时,对应电压为14 V。随着注入电流的增大,峰值波长蓝移了2 nm。随着电流的增大,光功率近似于线性增加。在注入电流从3 mA增大到20 mA的过程中,光效降低了约61%;在注入电流从20 mA增大到50 mA的过程中,光效降低了约39%。这说明高压LED在大电流驱动时,光效降低的幅度比较缓慢。上述结果对 GaN基绿光高压 LED 的改进优化具有一定的参考价值。