提高LED光提取效率的研究

通过模拟计算的方法分析了倒装结构LED中衬底材料折射率及厚度对光提取效率的影响,并在此基础上提出一种新的菱形结构.结果表明:该菱形结构可大幅度提高LED光提取效率,在使用Si、蓝宝石、SiC作为芯片衬底材料时,菱形结构的光提取效率分别提高到传统方形结构的1.51、2.03、3.65倍.     

GaN基LED倒装芯片蓝宝石衬底半球型图形优化设计

为了提高GaN基LED芯片的光提取效率,以GaN基LED芯片为研究对象,建立了在蓝宝石衬底出光面和外延生长面上具有半球型图形的LED倒装芯片模型,并利用光学仿真软件对图形参数进行优化设计。实验结果表明:在蓝宝石衬底的出光面和外延生长面双面都制作凹半球型图形对芯片光提取效率的提高效果最好,并且当半球的半径为3 m,周期间距为7 m时,GaN基LED倒装芯片的最大光提取效率为50.8%,比无图形化倒装芯片的光提取效率提高了115.3%。     

提高LED光提取效率的研究

通过模拟计算的方法分析了倒装结构LED中衬底材料折射率及厚度对光提取效率的影响,并在此基础上提出一种新的菱形结构.结果表明:该菱形结构可大幅度提高LED光提取效率,在使用Si、蓝宝石、SiC作为芯片衬底材料时,菱形结构的光提取效率分别提高到传统方形结构的1.51、2.03、3.65倍.     

转移基板材质对Si衬底GaN基LED芯片性能的影响

在Si衬底上生长了GaN基LED外延材料,分别转移到新的硅基板和铜基板上,制备了垂直结构蓝光LED芯片。研究了这两种基板GaN基LED芯片的光电性能。在切割成单个芯片之前,对大量尺寸为(300μm×300μm)的这两种芯片分别通高达1 A的大电流在测试台上加速老化1 h。结果显示,铜基板Si衬底GaN基LED芯片有更大的饱和电流,光输出效率更高,工作电压随驱动电流的变化不大,光输出在老化过程中衰减更小。铜基板芯片比硅基板芯片可靠性更高,在大功率半导体照明器件中前景诱人。     

Si衬底功率型GaN基绿光LED性能

对本实验室在Si(111)衬底上MOCVD法生长的芯片尺寸为400 μm×600μm功率型绿光LED的光电性能进行研究.带有银反射镜的LED在20 mA的电流下正向工作电压为3.59 V,主波长518 nm,输出光功率为7.3 mW,90 mA下达到28.2 mW,发光功率效率为7.5%,光输出饱和电流高达600 mA.在200 mA电流下加速老化216 h,有银反射镜的LED光衰小于尤银反射镜的LED,把这一现象归结于Ag反射镜在提高出光效率的同时,降低了芯片奉身的温度.本器件有良好的发光效率,光衰和光输出饱和电流等综合特性表明,Si衬底GaN基绿光LED具有诱人的发展前景.     

GaN基倒装焊LED芯片的光提取效率模拟与分析

采用蒙特卡罗光线追踪方法,模拟GaN基倒装LED芯片的光提取效率,比较了蓝宝石衬底剥离前后、蓝宝石单面粗化和双面粗化、有无缓冲层下LED光提取效率的变化,并对粗化微元结构和尺寸作了进一步选取与优化.研究结果表明:采用较厚的蓝宝石衬底和引入AlN缓冲层均有利于LED光提取效率的提高;蓝宝石衬底双面粗化对提高光提取效率的效...     

非等温模型下LED芯片性能与衬底的关系

发光二极管(LED)中载流子的输运及复合决定了其非均匀的内热源强度及分布,而芯片温度又影响载流子的输运及复合,两者具有强烈的耦合关系。本文利用非等温多物理场耦合模型对以蓝宝石、Si及SiC为衬底的 LED芯片的内量子效率、光谱特性及光电转换效率进行了系统研究。结果表明:以SiC为衬底的LED芯片具有最小的效率下垂效应(Efficiency droop)及最高的光谱强度和光电转换效率。这是因为与其他两种衬底的LED芯片相比,以SiC为衬底的LED芯片具有最好的散热性能,因此非均匀温度场对其载流子输运及复合的影响最小,使得活性区中的载流子浓度显著增强,漏电流明显下降。     

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.     

SiN钝化膜对Si衬底GaN基蓝光LED性能影响

利用等离子辅助化学气相沉积(PECVD)系统在垂直结构Si衬底GaN基蓝光LED芯片上生长了SiN钝化膜,并对长有钝化膜及未作钝化处理的LED在不同条件下进行了老化实验,首次研究了SiN钝化膜对垂直结构Si衬底GaN基蓝光LED可靠性的影响。实验发现:经过30mA、85℃、24h条件老化后,未作钝化处理的Si衬底GaN基蓝光LED的平均光衰为11.41%,而长有SiN钝化膜的LED平均光衰为6.06%,SiN钝化膜有效地改善了LED在各种老化条件下的光衰,另外,SiN钝化膜缓解了Si衬底GaN基蓝光LED老化过程中反向电压(Vr)的下降,但对老化后LED的抗静电击穿能力(ESD)没有明显的影响。     

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     

全息技术制作二维光子晶体蓝宝石衬底提高发光二极管外量子效率

为了提高GaN基发光二极管(LED)的外量子效率,在蓝宝石衬底制作了二维光子晶体.衬底上的二维光子晶体结构采用激光全息技术和感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀技术制作,然后采用金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)技术在图形蓝宝石衬底(PSS)上生长2μm厚的n型GaN层,4层量子阱和200nm厚的p型GaN层,形成LED结构.衬底上制作的二维光子晶体为六角晶格结构,晶格常数为3.8μm,刻蚀深度为800nm.LED器件光强输出测试结果显示,在PSS上制作的LED(PSS-LED)的发光强度普遍高于蓝宝石平 关键词： 全息 发光二极管 图形蓝宝石衬底 外量子效率     

Progress in research of GaN-based LEDs fabricated on SiC substrate

The influence of buffer layer growth conditions on the crystal quality and residual stress of GaN film grown on silicon carbide substrate is investigated.It is found that the Al GaN nucleation layer with high growth temperature can efficiently decrease the dislocation density and stress of the GaN film compared with Al N buffer layer.To increase the light extraction efficiency of GaN-based LEDs on Si C substrate,flip-chip structure and thin film flip-chip structure were designed and optimized.The fabricated blue LED had a maximum wall-plug efficiency of 72% at 80 m A.At 350 m A,the output power,the Vf,the dominant wavelength,and the wall-plug efficiency of the blue LED were 644 m W,2.95 V,460 nm,and 63%,respectively.     

电致发光的完全悬空超薄硅衬底氮化镓基蓝光LED器件的制备与表征

为提升硅衬底氮化镓基LED(发光二极管)器件的光电性能和出光效率,本文提出了一种利用背后工艺实现的悬空薄膜蓝光LED器件。结合光刻工艺、深反应离子刻蚀和电感耦合等离子体反应离子刻蚀的背后工艺,制备了发光区域和大部分正负电极区域的硅衬底完全掏空,并减薄大部分氮化镓外延层的悬空薄膜LED器件。对悬空薄膜LED器件进行三维形貌表征,发现LED悬空薄膜表面平坦,变形程度小,证明背后工艺很好地解决了氮化镓外延层和硅衬底之间由于应力释放造成的薄膜变形问题。表征了LED器件的电流电压曲线和电致发光光谱等光电特性,对不同结构、不同发光区域尺寸的LED器件进行对比,发现悬空薄膜LED器件的光电性能和出光效率比普通LED器件更优越,且发光区尺寸变化对LED器件性能的影响更明显。在15 V驱动电压下,与普通LED器件相比,发光区直径为80μm的悬空LED器件的电流从4.3 mA提升至23.9 mA。在3 mA电流的驱动下,峰值光强提升了约5倍,而发光区直径为120μm的悬空器件与发光区直径为80μm的悬空器件相比,出光效率提升更为明显。本研究为发展高性能悬空氮化物薄膜LED器件提供了更多可能性。     

光子晶体发光二极管光抽取效率及远场辐射特性的数值研究

运用三维时域有限差分法,研究了完美/缺陷光子晶体特定参量的改变对发光二极管光抽取效率影响,得出优化参量.基于近场远场转换,进一步分析了两种不同类型的缺陷引入及其周边空气孔半径的改变对光子晶体发光二极管远场辐射特性的影响.数值研究的结果表明,通过引入缺陷以及减小缺陷周围空气孔半径能够同时提高光子晶体发光二极管的光抽取效率和远场辐射方向性.     

利用单层密排的纳米球提高发光二极管的出光效率

在发光二极管(LED)的透明电极层上制作单层六角密排的聚苯乙烯(polystyrene, PS) 纳米球, 研究提高GaN基蓝光LED的出光效率. 采用自组装的方法在透明电极铟锡氧化物层上制备了直径分别约为250, 300, 450, 600和950 nm的PS纳米球, 并且开展了电致发光的研究. 结果表明, 在LED的透明电极层上附有PS纳米球能有效地提高LED的出光效率; 当PS纳米球的直径与出射光的波长比较接近时, LED的出光效率最优. 与参考样品相比, 在20 mA和150 mA工作电流下, 附有PS纳米球的样品的发光效率分别增加1.34倍和1.25倍. 三维时域有限差分方法计算表明, 该出光增强主要归因于附有PS纳米球的LED结构可以增大LED结构的光输出临界角, 从而提高LED的出光效率. 因此, 这是一种低成本的实现高效率LED的方法.