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.     

电极结构优化对大功率GaN基发光二极管性能的影响

在台面结构的GaN基发光二极管(LED)里，电流要侧向传输，当尺寸与电流密度加大之后，由于n型GaN层和下限制层的横向电阻不能忽略，造成了横向电流分布不均匀.通过优化电极结构，以减小电流横向传输距离，制作出两种不同电极结构的大功率GaN基倒装LED.通过比较这两种不同电极结构的GaN基倒装大功率LED的电、光性能，发现在350mA正向电流下，插指电极结构的倒装大功率GaN基LED的正向电压为3.35V，比环形插指电极结构的倒装大功率GaN基LED高0.15V.尽管环形插指电极结构GaN基LED的发光面积略小于插指电极结构GaN基LED，但在大电流下，环形插指电极结构倒装GaN基LED的光输出功率比插指电极结构的倒装大功率LED的光输出功率大.并且在大电流下，环形插指电极结构的倒装大功率LED光输出功率饱和速度慢，而插指电极结构的倒装大功率LED光输出功率饱和明显.这说明优化电极结构能提高电流扩展均匀性，减小焦耳热的产生，改善GaN基LED的性能.     

影响倒装焊LED芯片电流分布均匀性的因素分析

为研究影响倒装LED芯片电流密度均匀分布的因素, 建立了芯片的三维有限元电学模型, 采用COMSOL有限元仿真方法, 分析了芯片尺寸、电极结构、电流注入点对倒装LED芯片电流分布均匀性的影响, 并对相关机理进行了探讨. 研究结果表明, 芯片尺寸的增加扩展了电流的横向传输路径与横向电阻, 使LED芯片电流分布的不均匀性呈指数型恶化; 叉指式电极结构可有效缩短电流传输途径, 增加叉指电极数目有利于电流均匀性的提高; 通过在块状电极上合理设计电流注入点可缩短电流传输路径, 显著提高电流的均匀性.     

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%。     

电流拥挤效应与LED器件可靠性分析

对小功率GaN基白光LED的电流拥挤效应进行了研究,发现串联灯组(8只为一组)在经过22 V电压冲击后出现漏电失效现象。通过Pspice软件对串联LED灯组进行模拟,发现与其他样品相比,受损样品承受了更大的电压和功率;对器件加-2 V偏压,利用光发射(EMMI)显微镜对芯片表面不同量级漏电流进行定位分析比较,结果表明漏电流集中在p型扩展电极端点附近。分析认为,电压冲击的破坏路径穿过了LED的量子阱结构,而电流的不均匀分布造成了 p型扩展电极附近的电流拥挤,加剧了pn结的损伤程度,提高电流扩展的均匀性可以有效提高LED的可靠性。最后还对在正向电流-电压区域出现微分负阻特性的器件进行了失效分析。     

高亮度大功率InGaAlP红光LED芯片研制

报道了大功率高亮度InGaAlP红光LED芯片的设计和工艺制备,实验芯片采用环形插指状电极。和传统的LED芯片相比较,环形插指状电极LED芯片电流扩展分布更均匀,而且更有利于与其它器件的集成。对制备好的芯片进行了I-V特性、光谱特性、光通量和光强的测量。芯片的电性能非常好,其开启电压VT为1.5V;当工作电压达到3V时,工作电流为500mA;在工作电流为350mA时,峰值波长为635nm,半峰全宽为16.4nm,光强为830mcd。在色度学测试中,色坐标为x=0.6943,y=0.3056,显色指数为18.4。因此可以得知高亮度大功率InGaAlP红光LED是未来LED作为普通照明光源应用的第一步,而且将会在科学研究和工业投资的很多应用领域中成为新的焦点。     

电极结构对AlGaInP-LED阵列电流分布的影响

以AlGaInP-LED外延片为基片,设计了分辨率为320×240、像素尺寸为100 μm×100 μm的微型LED阵列。针对目前LED阵列普遍存在的电流分布不均匀的问题,建立了内部电流分布模型,研究了电极结构、电极尺寸及电极间距等不同因素对LED电流分布造成的影响。在单条形电极结构的基础上进行优化,综合考虑不透明电极的遮光效应等因素得到三条形电极结构为最优的电极结构,该电极结构的LED有源层均匀发光面积比未经优化的单条形电极提高了65.02%,比双条形电极提高25.63%,有效提高了微型LED阵列的出光效率,对改善LED芯片发光均匀性具有参考意义。     

功率型GaN基发光二极管芯片表面温度及亮度分布的物理特性研究

基于电流连续方程、欧姆定律及定性三维热流传导模型研究发光二极管(LED)芯片 的电流密度分布、热量、温度之间的相互交叉关系,进而测试分析GaN基蓝光 LED电流扩展效应和亮度分布的关系,认为芯片亮度变化趋势可作为判别电流扩 展性能的有效手段. 由于芯片表面温度、亮度分布和电流密度之间存在紧密的联结 关系,通过测试芯片表面温度或亮度分布就可定性了解器件电流扩展性能, 从而为优化电极结构提供一种判定依据. 在不同电流和热沉温度下,进一步 讨论了电流密度非均匀性和亮度分布的关系, 电流密度拥挤将导致芯片局 部区域热量堆积,非辐射复合作用增强,限制出射光子数目, 因此热 量是影响亮度分布的重要因素之一. 通过载流子传输机理进一步说明 温度影响亮度均匀性的原因,并通过实验说明理论分析的可行性. 通过优化电极结构能改善器件的电流扩展效应以及亮度均匀性, 对提高大功率LED的可靠性具有重要作用.     

高亮度大功率InGaAIP红光LED芯片研制

报道了大功率高亮度InGaAIP红光LED芯片的设计和工艺制备,实验芯片采用环形插指状电极。和传统的LED芯片相比较,环形插指状电极LED芯片电流扩展分布更均匀,而且更有利于与其它器件的集成。对制备好的芯片进行了I-V特性、光谱特性、光通量和光强的测量。芯片的电性能非常好,其开启电压VT为1．5V;当工作电压达到3V时,工作电流为500mA;在工作电流为350mA时,峰值波长为635nm,半峰全宽为16．4nm。光强为830mcd。在色度学测试中,色坐标为x=0．6943,y=0．3056,显色指数为18．4。因此可以得知高亮度大功率InGaAIP红光LED是未来LED作为普通照明光源应用的第一步,而且将会在科学研究和工业投资的很多应用领域中成为新的焦点。     

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.     

硅衬底GaN蓝色发光材料转移前后应力变化研究

利用外延片压焊和湿法腐蚀技术将硅衬底上生长的InGaN多量子阱发光二极管(LED)薄膜材料转移到了新衬底上. 研究结果表明, 转移后的LED薄膜中GaN层受到的张应力变小,InGaN层受的压应力变大. 去除转移后LED薄膜中过渡层后,GaN层受到的张应力变大,而铟镓氮层受到的压应力基本不变. 将转移后的薄膜做成垂直结构的LED芯片后,其光电性能明显改善. 关键词： GaN 发光二极管 硅衬底 应力     

InGaN/GaN多量子阱结构发光二极管发光机理转变的低频电流噪声表征

本文对InGaN/GaN多量子阱结构发光二极管开启后的电流噪声进行了测试, 结合低频电流噪声的特点和载流子之间的复合机理, 研究了低频电流噪声功率谱密度与发光二极管发光转变机理之间的关系. 结论表明, 当电流从0.1 mA到10 mA逐渐增大的过程中, InGaN/GaN发光二极管的电流噪声行为从产生-复合噪声逐渐接近于低频1/f噪声, 载流子的复合机理从非辐射复合过渡为电子与空穴之间载流子数的辐射复合, 并具有标准1/f噪声的趋势, 此时多量子阱中的电子和空穴之间的复合趋向于稳定. 本文的结论提供了一种表征InGaN/GaN多量子阱发光二极管发光机理转变的有效方法, 为进一步研究发光二极管中载流子的复合机理、优化和设计发光二极管、提高其发光量子效率提供理论依据.     

Si(110)和Si(111)衬底上制备InGaN/GaN蓝光发光二极管

分别在Si(110)和Si(111)衬底上制备了In Ga N/Ga N多量子阱结构蓝光发光二极管(LED)器件.利用高分辨X射线衍射、原子力显微镜、室温拉曼光谱和变温光致发光谱对生长的LED结构进行了结构表征.结果表明,相对于Si(111)上生长LED样品,Si(110)上生长的LED结构晶体质量较好,样品中存在较小的张应力,具有较高的内量子效率.对制备的LED芯片进行光电特性分析测试表明,两种衬底上制备的LED芯片等效串联电阻相差不大,在大电流注入下内量子效率下降较小;但是,相比于Si(111)上制备LED芯片,Si(110)上LED芯片具有较小的开启电压和更优异的发光特性.对LED器件电致发光(EL)发光峰随驱动电流的变化研究发现,由于Si(110)衬底上LED结构中阱层和垒层存在较小的应力/应变而在器件中产生较弱的量子限制斯塔克效应,致使Si(110)上LED芯片EL发光峰随驱动电流的蓝移量更小.     

大功率GaN基发光二极管等效串联电阻的功率耗散及其对发光效率的影响

由于自加热效应的存在,大功率GaN基发光二极管(LED)的芯片温度有可能高出环境温度很多,实验中,芯片温度超出环境高达147 K.从实验测量的大功率LED电流电压特性曲线中,将p-n结和等效串联电阻上的电压降落分离出来,得到了大功率LED等效串联电阻随芯片温度的变化情况.在输入电功率自加热效应的影响下,大功率GaN基LED等效串联电阻呈现出剧烈的变化,其阻值由低输入功率时的1.2 Ω降低到0.9 Ω,然后再升高到1.9 Ω,等效串联电阻的功率耗散在输入功率中所占的比例也随着输入功率的增加迅速增加,最高时接 关键词： 自加热 等效串联电阻 发光二极管 流明效率     

A polarization mismatched p-GaN/p-Al0.25Ga0.75N/p-GaN structure to improve the hole injection for GaN based micro-LED with secondary etched mesa

A low hole injection efficiency for InGaN/GaN micro-light-emitting diodes (μLEDs) has become one of the main bottlenecks affecting the improvement of the external quantum efficiency (EQE) and the optical power. In this work, we propose and fabricate a polarization mismatched p-GaN/p-Al$_{0.25}$Ga$_{0.75}$N/p-GaN structure for 445 nm GaN-based μLEDs with the size of $40 \times 40 $μm$^{2}$, which serves as the hole injection layer. The polarization-induced electric field in the p-GaN/p-Al$_{0.25}$Ga$_{0.75}$N/p-GaN structure provides holes with more energy and can facilitate the non-equilibrium holes to transport into the active region for radiative recombination. Meanwhile, a secondary etched mesa for μLEDs is also designed, which can effectively keep the holes apart from the defected region of the mesa sidewalls, and the surface nonradiative recombination can be suppressed. Therefore, the proposed μLED with the secondary etched mesa and the p-GaN/p-Al$_{0.25}$Ga$_{0.75}$N/p-GaN structure has the enhanced EQE and the improved optical power density when compared with the μLED without such designs.