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...     

基于不同衬底材料高出光效率LED芯片研究进展

提高LED芯片的出光效率是解决LED光源大功率化和可靠性的根本。根据LED芯片所用衬底材料的不同,总结了近年来提高GaN基LED出光效率的研究进展,介绍了新的设计思路、工艺结构与制备方法。并从材料结构和衬底选取方面,对LED芯片未来的发展趋势进行了展望。     

p层厚度对Si基GaN垂直结构LED出光的影响

利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)法在Si衬底上生长了一系列具有不同p层厚度d的InGaN/GaN蓝光LED薄膜并制备成垂直结构发光二极管(VLEDs),研究了 p层厚度即p面金属反射镜与量子阱层的间距对LED出光效率的影响,并采用F-P干涉模型进行了理论分析.结果显示,光提取效率受d影响很大,随d的增加呈现类似阻...     

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%。     

纳米半球微镜阵列结构对GaN基LED光提取效率的影响

为了分析表面纳米半球微镜结构对GaN基发光二极管（LED)光提取效率的影响,利用时域有限差分法(FDTD)分别对GaN、ZnO、SiO2、聚苯乙烯组成的半球微镜结构进行了分析和比较,同时用模式分析方法从理论上对FDTD计算结果进行了进一步验证。研究发现,在亚波长范围,折射率较小的材料不利于导模与表面结构层的耦合,不会对光提取效率的提高产生明显影响。相比之下,折射率较大的材料会使更多的模式耦合到半球微镜阵列层,更有利于光提取效率的提高;当材料选定,纳米半球半径增加时,光提取效率也逐渐增加,优化后半径为600 nm的半球微镜阵列结构GaN基LED,其光提取效率比没有结构的普通平板LED增强5.66倍,在以上波导材料结构中最为优化。在此基础上,通过等效折射率的计算得到半球微镜结构的等效折射率模型,并利用非对称平板模式分析的办法对以上得到的结论进行了分析和验证。这些结果对实际的高性能GaN基LED的设计与优化具有重要意义。     

顶端ZnO纳米结构对GaN基LED光提取效率的影响

为了提高GaN基蓝光LED的光提取效率,本文建立了LED顶面分别铺设ZnO纳米柱和纳米锥结构的两种模型,利用时域有限差分法对两种模型进行仿真并对结果进行了比较.仿真结果表明,ZnO纳米结构的各项几何结构参量(包括排列周期P、高度L、宽度W以及斜率k等),对LED顶端光提取效率影响显著.仿真分别得到了两种结构的最佳模型,通过比较,LED顶面纳米柱和纳米锥结构对光提取效率的提高效果相近,其最佳提取效率分别增强至无任何结构时的2.5倍和2.3倍.同时,通过对各项参量扫描获得的对光提取效率的变化曲线进行了分析,并给出了相应相应的理论解释.这些模型优化和理论分析对实际的高性能GaN基LED的设计制造有着指导意义.     

顶端ZnO纳米结构对GaN基LED光提取效率的影响

为了提高GaN基蓝光LED的光提取效率,本文建立了LED顶面分别铺设ZnO纳米柱和纳米锥结构的两种模型,利用时域有限差分法对两种模型进行仿真并对结果进行了比较.仿真结果表明,ZnO纳米结构的各项几何结构参量(包括排列周期P、高度L、宽度W以及斜率k等),对LED顶端光提取效率影响显著.仿真分别得到了两种结构的最佳模型,通过比较,LED顶面纳米柱和纳米锥结构对光提取效率的提高效果相近,其最佳提取效率分别增强至无任何结构时的2.5倍和2.3倍.同时,通过对各项参量扫描获得的对光提取效率的变化曲线进行了分析,并给出了相应相应的理论解释.这些模型优化和理论分析对实际的高性能GaN基LED的设计制造有着指导意义.     

SiO2图形化蓝宝石衬底对GaN生长及LED发光性能的影响

为了提高氮化镓(GaN)基发光二极管(LEDs)的发光性能,采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在蓝宝石衬底上沉积SiO_2薄膜,经过光刻和干法刻蚀技术制备了SiO_2图形化蓝宝石衬底(SiO_2 patterned sapphire substrate, SPSS),利用LED器件的外延生长和微纳加工技术获得了基于SPSS的GaN基LED器件。通过分析GaN外延层晶体质量、光提取效率和LED器件性能,重点研究了SPSS对GaN生长及LED发光性能的影响。实验及模拟仿真结果表明,与常规图形化蓝宝石衬底(Conventional patterned sapphire substrate, CPSS)相比,SPSS上生长的GaN外延层位错密度较低,晶体质量较高,SPSS-LED的光提取效率提高26%、光输出功率和亮度均提高约5%。     

表面为二维光子晶体结构的AlGaInP系发光二极管的研究

近年来,GaN基光子晶体发光二极管(light emitting diode,LED)的研究已经取得了一定的进展,利用光子晶体的光子带隙效应和光栅衍射原理,在LED上制作光子晶体结构将会提高出光效率.本文为了提高AlGaInP系LED的光提取效率,分析了常规LED光提取效率受到限制的原因,将光子晶体结构引入了AlGaInP系LED的器件结构设计,通过理论分析与实验验证,结果显示:光子晶体结构对于提高AlGaInP系LED的光提取效率同样起到了明显的效果,引入光子晶体后,LED的输出光强比常规结构LED平均 关键词： AlGaInP系LED 光子晶体 光提取效率 光强     

Enhancement of light-emitting efficiency using combined plasmonic Ag grating and dielectric grating

Based on the analysis of the near-field evanescent wave in total internal reflection, the flip-chip light-emitting diode (LED) structure was proposed by placing a plasmonic Ag grating and a perforated sapphire grating in the substrate. The finite difference time domain (FDTD) method has been applied to study the spectral properties of the hybrid structure and the enhancement factor of light extraction efficiency of the LED model. From the computation examples, the effects of structure parameters on the extraction enhancement have been investigated. The results indicate that the plasmonic grating can enhance the near-field evanescent wave and couple it to propagation wave in the specific wavelength bands, which leads to the photons emitting out of the LED chip with high extraction efficiency. Due to the combined gratings used, the enhancement factor of the light extraction efficiency can reach approximately 4 times at a relatively longer wavelength.     

阵列式微型透镜封装多芯片COB LED的光学仿真设计及应用

为了提高COB LED的取光率,以1919 COB LED为研究对象,建立阵列式圆锥透镜、半椭球透镜、四棱锥透镜和半圆球透镜封装LED模型,并利用光学仿真软件进行研究。仿真实验结果表明:在优化条件下,高0.5 mm、直径0.9 mm的阵列圆锥透镜封装LED的光通量由平面封装的67 lm提高至84.3 lm,即取光率提高25.8%。制作了RGB芯片的多芯片LED样品,并用直径1 mm的阵列半圆球透镜进行封装,其取光率提高18.8%。     

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。     

不同表面结构的半导体发光二极管的效率与寿命的研究

对GaAs基AlGaInP系半导体发光二极管（light emitting diode,LED）提取效率低导致器件发热而寿命缩短等问题进行了分析,提出了一种新型表面结构的LED,在与普通LED相同的外延生长条件下,通过后工艺引入了表面图形并腐蚀出凹凸不平的表面以改变光子传输方向,同时制备了导电光增透层,既增强了电流的扩展同时使得更多的光子能够发射到体外,在相同的注入电流下,新型表面增透结构LED的轴向光强平均是普通LED的15倍,由于光提取效率高,更多的光子能够发射到体外,发热减少,饱和电流更高,达到1 关键词： 表面增透结构 轴向光强 光效 寿命     

An optimum design and fabrication of lens on luminous uniformity and light extraction of high-power light-emitting diode

The effect of lens inner structure on radiation pattern and light extraction efficiency of light-emitting diode (LED) and the application to artificial light in compact greenhouse is demonstrated. A commercial software package of Trace Pro and one-factor at-a-time (OFAT) method are used to simulate the lens with different inner structure. The optimum parameters of lens inner structure design for the maximum light extraction efficiency and the best uniform luminous are described by the corner radius of curvature, lens width, and lens height, respectively. For a real single LED module, base on the optimum parameters of lens inner structure, the corresponding best luminous uniformity is 62% and corresponding output extraction is 14.11 lm. The maximum uniformity of illumination for LED matrix assembled by LED modules with optimum lens is 88% and corresponding light extraction 1141 lm. In comparison with a commercial artificial light of LED matrix used in agriculture, the high-power LED module with proposed lens inner structure exhibit good improvement in uniformity of illumination and light extraction. This study may provide a practical guideline for design and fabrication of a high-performance lens used in various compact agricultural applications.     

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。     

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.     

基于微透镜阵列的LED光学性能

功率型发光二极管(LED)的发展迫切需要提高取光效率,基于微透镜阵列的二次光学设计是改善其取光效率的有效途径。建立了一种大功率LED的封装结构,二次光学设计采用了微透镜阵列技术,运用光线追踪法研究了这种封装结构的光学性能。分析结果表明:利用微透镜阵列技术能显著改善LED的光学性能,提高取光效率,能将LED的亮度衰减降低12%以上,得到了较好的效果。