交流驱动无电学接触GaN基Micro-LED器件光电特性

针对Micro-LED器件微型化带来的尺寸效应、高速巨量转移、发光器件与驱动背板的高精度键合等问题,本文通过金属有机化学气相沉积和原子层沉积技术制备了一种垂直结构的交流驱动无电学接触型GaN基Micro-LED器件,研究了其光电特性。结果表明,器件电路模型可等效为RC电路,随着交流驱动信号频率的增大,器件等效阻抗先快速减小后趋于稳定。当频率固定时,器件I-V特性呈线性关系,器件等效阻抗稳定,器件亮度随着驱动电压增大而增强。当驱动电压固定时,器件在16～22 MHz频率范围内达到最大亮度,且亮度随频率增加呈现先上升后下降趋势;此外,由于回路呈电容特性,无电学接触型Micro-LED器件存在发光延迟效应和电流超前效应。对比传统Micro-LED器件,无电学接触型Micro-LED器件与外部电极无电学接触,在交流驱动条件下实现内部载流子复合发光,有望解决Micro-LED芯片微型化带来的技术难题。     

低压驱动薄膜电致发光特性及其机理的研究

采用低电阻率为Ｔａ２Ｏ５／ＳｉＯ２，Ｔａ２Ｏ５／Ａｌ２Ｏ３复合层制备了出低压驱动Ｚｎｓ：Ｍｎ薄膜电致发光器件，它的阈值电压在４０Ｖ以下，当驱动电压为６０Ｖ，频率为５０Ｈｚ，发光亮度在２００ｃｄ／ｍ＾２以上，这种器件具有其独特的亮度－电压特性和电荷存储量－电压特性，利用空间电荷限制电流模型分析了发光层中空间电荷，电场强度在这种低压驱动电致发光器件发光层中的分布特性，并对低压驱动薄膜电致发光机理，亮度     

GaN基微缩化发光二极管尺寸效应和阵列显示

设计制备了不同大小的单颗微缩化发光二极管(Micro-LED)和Micro-LED阵列.其中,单颗MicroLED尺寸为40—100μm,其电极结构为共N极, P极单独引出;阵列像素数量为8×8,被动驱动结构,像素大小为60μm.器件制备过程中使用厚光刻胶作掩膜,刻蚀N型GaN外延片至衬底,形成隔离槽.通过优化电极结构和厚度,提高了P电极在隔离槽爬坡处的可靠性;使用现场可编程门阵列(field-programmable gate array, FPGA)对Micro-LED被动阵列进行了驱动显示.对于不同尺寸的单颗Micro-LED进行了电学、光学、热学等方面的测试分析.结果表明:随着尺寸的减小, Micro-LED所能承受的电流密度越大; Micro-LED与普通蓝光LED相比具有较大的k系数,并且随着尺寸的减小, k系数的数值增大,热稳定性不如传统蓝光LED.FPGA可以实现对Micro-LED被动阵列的良好驱动.     

流动氩气介质阻挡放电特性及振动温度研究

采用双水电极介质阻挡放电装置,在流动氩气中通过改变气隙间距、驱动电源频率和气体流量等研究放电电学特性和振动温度的变化。电学测量结果发现如果固定其他实验条件而只改变某一参数,小气隙间距放电的电流峰值和功率比大气隙间距的高。同样,增大驱动电源频率也能够使放电的电流峰值和功率增加,而增加气体流量使得放电电流峰值和功率减小。最后利用光谱学方法,通过对放电发射光谱中氮分子振动带系的分析,发现振动温度随着放电气隙间距、电源频率和气体流量的变化关系与放电的电流峰值和功率的变化关系基本一致。这些结果对流动气体中大气压介质阻挡放电的应用具有重要意义。     

考虑小尺寸效应的Micro-LED驱动结构设计

设计一款芯片尺寸为300μm的蓝绿光微型发光二极管（Micro-LED）并将其点亮，通过TCAD仿真对芯片尺寸为10、38、100、300μm的Micro-LED进行模拟仿真，探究了Micro-LED的小尺寸效应，发现随着Micro-LED尺寸的减小，开关损耗增加。因此，针对提高小尺寸Micro-LED单点像素的驱动电流密度过程中产生的开关损耗增加的问题，模拟仿真驱动电路驱动Micro-LED的开关特性过程，进行减小开关损耗的研究。利用Sentaurus TCAD软件进行仿真，设计了一台沟道长度为0.18μm的p型金属氧化物半导体场效应晶体管（PMOS）器件，将PMOS器件和Micro-LED器件通过铟凸点进行键合，并对PMOS驱动电路驱动单独Micro-LED像素进行仿真，进一步进行PMOS驱动两个Micro-LED像素的仿真，从而模拟阵列像素驱动的情况，通过比较开关延迟时间判断驱动效果并进行实验验证，发现当PMOS接入限流电阻驱动Micro-LED时，阻值越小，驱动效果越好，而且起到消除浪涌、限流分压的作用，但PMOS直接驱动Micro-LED比加入限流电阻的效果更好，PMOS驱动...     

无注入型发光二极管的载流子输运模型研究

无载流子注入型发光二极管(简称无注入型LED)因其简单的器件结构有望应用于Micro-LED、纳米像元发光显示等新型微显示技术.由于没有外部载流子注入,无注入型LED的内部载流子输运行为无法直接用传统的PN结理论进行描述.因此,建立无注入型LED的载流子输运模型对于理解其工作机理和提高器件性能具有重要意义.本文根据无注入型LED的器件结构,结合PN结理论建立无注入型LED的载流子输运数学模型.基于该数学模型解释器件的工作原理,获得器件的载流子输运特性,揭示感应电荷区长度、内部PN结压降与外加驱动电压频率的关系.根据建立的数学模型提出了针对无注入型LED器件设计的建议:1)减小感应电荷区掺杂浓度,可有效提高内部LED的压降;2)利用PN结的隧穿效应,可有效提高器件内部LED的压降;3)使用正负方波驱动可以获得比正弦驱动更大的内部LED压降.本文有关无注入型LED的载流子输运模型的研究有望为改善无注入型LED器件结构、优化工作模式提供理论指导.     

可弯曲式微腔有机电致发光器件的光学特性

设计了结构为上反射镜/有机层/下反射镜/柔性基板的可弯曲式有机电致发光器件(FOLED)。利用几何光学模型计算了器件在不同弯曲情况下,其发光光谱随观测角和曲率的影响,并与平整器件的光谱作了比较。结果表明:1)基板向内弯曲时,随着观测角的增大,器件的发光光谱峰值出现蓝移,且蓝移的程度相对平整器件要大;随着曲率的增大,器件的发光光谱峰值出现蓝移。2)基板向外弯曲时,随着观测角的增大,器件的发光光谱峰值出现红移,但红移的程度不大;随着曲率的增大,器件的发光光谱峰值出现红移,且与基板向内弯曲时蓝移的程度相当。     

4-inch蓝宝石图形衬底上GaN基白光LED制备及表征

在4-inch蓝宝石图形衬底上,基于InGaN/GaN多量子阱结构制备了蓝光LED芯片,并通过与钇铝石榴石黄色荧光粉(YAG∶Ce~(3+))结合,封装成白光LED器件。简要介绍了外延生长和芯片工艺及封装流程,并对材料特性及器件性能进行了表征。外延片表面形貌良好,蓝光外延片荧光光谱(PL)显示峰值波长为442 nm。对封装后白光芯片进行电学特性测试,得出其开启与限流电压分别为2.7 V与3.6 V。此外,电致发光光谱(EL)含有两个主要的发光峰,分别是440 nm的蓝光峰以及540 nm的黄绿光峰,而随着注入电流的增加,蓝光峰位先蓝移后红移,黄绿光峰位先红移后蓝移再红移。本文中相关的芯片制备及表征技术将对固态照明研究起到一定的促进作用。     

发光及显示器件光电特性测试系统设计

为了提高发光及显示器件光电特性测量实验的智能化程度,减小人为误差,并考虑工作温度对其光电特性的影响,设计了一种能够自动、同步测量发光体亮度、温度、伏安特性和寿命的系统。系统主要由LS-110型亮度计、GPD-3303型电源、自制的温度测量模块及测量软件四部分组成。基于实验室虚拟仪器工程平台,利用亮度计对器件的亮度进行测量,利用单片机和温度传感器对器件的温度进行测量,通过上位机程序控制电源步进输出、读取实际输出电流值和电压值,并将采集到的数据发送到上位机,实时绘制出了亮度-电压、电流-电压、温度-电压、亮度-温度、电流-温度、亮度-电流特性曲线。系统目前可以同时对器件的亮度、温度和伏安特性进行自动测量和直观显示,并且具备自动保存数据和图像的功能,实现了发光及显示器件光电特性测量的智能化,具有综合性强、精确度及自动化程度高、操作简易等特点。     

基于InP/ZnS核壳结构量子点的色转换层设计及制作

提出了采用环境友好型InP/ZnS核壳结构量子点材料制备匹配蓝光Micro-LED阵列的量子点色转换层以实现Micro-LED阵列器件全彩化的技术方案。通过采用倒置式量子点色转换层方案,实现了InP/ZnS量子点材料和Micro-LED阵列的非直接接触,从而可以缓解LED中热量聚集导致的量子点材料发光主波长偏移、半峰宽展宽以及发光效率衰减等问题。量子点色转换层中内嵌PDMS聚合物柔性膜层,可以消除咖啡环效应,同时,色转换层中内嵌飞秒激光图案化处理的500 nm长波通滤光膜层,可以抑制蓝光从非蓝色像素单元出射。最后,实验制备了像素单元中心间距90μm的16×16 InP/ZnS量子点色转换层。该设计可以实现基于蓝光Micro-LED阵列的全彩色Micro-LED显示器件的制备,并且该制备方法可以降低全彩色Micro-LED阵列显示器件的制备成本。     

利用瞬态电致发光方法研究有机电致发光器件内部电荷行为

利用自主搭建的瞬态电致发光测量系统,连续施加两个电压相同的矩形脉冲作为器件驱动电压并且两个矩形脉冲之间存在一定的时间间隔,通过测量器件的瞬态EL和瞬态电流,从而分析研究器件内部电荷存储行为和发光过程。之前的研究发现了m-MTDATA∶3TPYMB混合发光层是激基复合物的发光,并且发现了其较长延迟发光是因为空穴传输层和电子传输层内储存的电荷再复合造成的。制备了以m-MTDATA∶3TPYMB(1∶1)混合层作为发光层、m-MTDATA作为空穴传输层、3TPYMB作为电子传输层的一组器件,通过对器件瞬态EL的分析,发现在第二个脉冲驱动下器件的EL强度稳定值比第一驱动驱动下的EL强度稳定值大,且第二脉冲的EL强度稳定值与第一脉冲EL强度稳定值的比值随通过器件的电流增大而减小,实验还发现第二脉冲撤销时的延迟发光衰减速度要比第一脉冲撤销时的快,这是由于第二脉冲撤销时发光层内极化子(电荷)对激子的猝灭(TPQ)比较严重。     

以陶瓷厚膜为绝缘层的红色ZnSvSm,Cl电致发光器件

报道采用高介电常数的陶瓷厚膜作绝缘层、ＺｎＳｖＳｍ , Ｃｌ作为发光层的红色薄膜电致发光器件。测量了器件的电致发光光谱和亮度电压曲线, 研究了发光机理和效率电压等特性。制备的器件在市电频率驱动下１６ Ｖ启亮, 最大亮度为１８．４ ｃｄ／ｍ ２, 最大效率为０．０６ ｌｍ ／Ｗ。     

基于离子注入制备的InGaN横向Micro-LED阵列

采用离子注入工艺在InGaN/GaN量子阱蓝光LED结构的p-GaN层形成高阻态隔离区域,实现了最小4μm超小尺寸高光效Micro-LED阵列的制备,并系统研究了氟离子注入隔离工艺制备的横向结构Micro-LED阵列的电学和光学性能。实验结果表明,在采用的离子注入能量范围内,氟离子在p-GaN层中的注入深度越深,对应器件的电学和光学隔离效果越好。当离子注入能量为60 keV时,Micro-LED阵列具有相对最佳的光电效果,同时基于该离子注入能量制备的4μm超小尺寸Micro-LED阵列的光功率密度高达200 W/cm~2,展现了离子注入工艺在新一代Micro-LED微显示芯片中的应用潜力。     

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。     

沟槽型发射极SiGe异质结双极晶体管新结构研究

提出了一种沟槽型发射极SiGe异质结双极晶体管新结构.详细分析了新结构中沟槽型发射极的引入对器件性能的影响,并对其机理进行研究.新型发射极结构通过改变发射极电流路径使电阻分区并联,在不增大结电容的前提下,有效减小发射极电阻,提高器件的频率特性.结果表明,新结构器件的截止频率和最大振荡频率分别增加至100.2 GHz和134.4 GHz,更重要的是沟槽型发射极结构的引入,在提高器件频率特性的同时,不会降低器件的电流增益,也不会增加结电容,很好实现了频率特性、电流增益和结电容之间的折中.对沟槽型发射极进行优化设计,改变侧墙高度和侧墙宽度.沟槽型发射极电阻不受侧墙高度改变的影响,频率性能不变;侧墙宽度增加,频率性能降低.     

ZnS:Mn、Cu粉末直流电致发光器件直流和交流电致发光一致性的研究

本文研究了粉末直流电致发光(DCEL)器件在直流(DC)和交流(AC)电压下光电特性的关联和区别及其物理机制. 实验发现,在DC和AC条件下DCEL器件的阻抗特性之间没有任何有规律的关联,而AC条件下的激发电流I_A和亮度B_A以及DC条件下的亮度B_D和发光效率η_D四个参量之间则表现出某种程度的一致性,但AC条件下的发光效率η_A与上述四个参量之间却表现出某种相反和相对立的关系. DCEL器件的光电特性具有强烈非线性和对电压方向的非对称性.正半周(或DC条件下)DCEL器件是在高电场和低电流激发下的发光.对发光起主要作用的是电场强度.在负半周时则是低电场和大电流激发下的发光.对发光起主要作用的是激发电流而不是电场强度.在AC条件下依材料、工艺、形成条件和工作电压的不同,DCEL器件可能更多地显示出正半周,负半周或两半周综合的光电特性.上述观点可以解释本文的实验结果.     

沿面型介质阻挡放电喷枪的发光特性及气体温度研究

利用氩气作为工作气体,采用正弦电压驱动沿面型等离子体喷枪,在大气压空气环境中产生了均匀的等离子体羽。电学和光学测量结果表明,等离子体羽放电只存在于外加峰值电压的正半周期,并且正半周期的放电脉冲个数随气体流量的增加而增加。通过对正半周期不同位置的发光脉冲信号进行比较,发现等离子体羽均按子弹形式传播,其中每一个发光脉冲均对应一次等离子体子弹传播过程。通过对比放电电流和等离子体羽的发光信号,发现等离子体羽的发光脉冲滞后于放电电流脉冲,且该延迟时间基本服从正态分布。该延迟时间随着外加电压峰值及气体流量的增大而减小。利用光纤测温仪测量了等离子体羽的气体温度,发现气体温度随外加峰值电压的增大而升高,随工作气体流量的增大而降低。通过分析放电过程,对上述现象进行了定性解释。     

沟槽型发射极SiGe异质结双极化晶体管新结构研究

提出了一种沟槽型发射极SiGe异质结双极化晶体管新结构. 详细分析了新结构中沟槽型发射极的引入对器件性能的影响,并对其机理进行研究. 新型发射极结构通过改变发射极电流路径使电阻分区并联,在不增大结电容的前提下,有效减小发射极电阻,提高器件的频率特性. 结果表明,新结构器件的截止频率和最大振荡频率分别增加至100.2 GHz和134.4 GHz,更重要的是沟槽型发射极结构的引入,在提高器件频率特性的同时,不会降低器件的电流增益,也不会增加结电容,很好实现了频率特性、电流增益和结电容之间的折中. 对沟槽型发射极进行优化设计,改变侧墙高度和侧墙宽度. 沟槽型发射极电阻不受侧墙高度改变的影响,频率性能不变;侧墙宽度增加,频率性能降低. 关键词： SiGe 异质结双极化晶体管 沟槽型发射极 发射极电阻     

ZnS:Mn、Cu粉末直流电致发光器件直流和交流电致发光一致性的研究

本文研究了粉末直流电致发光(DCEL)器件在直流(DC)和交流(AC)电压下光电特性的关联和区别及其物理机制.实验发现,在DC和AC条件下DCEL器件的阻抗特性之间没有任何有规律的关联,而AC条件下的激发电流IA和亮度BA以及DC条件下的亮度BD和发光效率ηD四个参量之间则表现出某种程度的一致性,但AC条件下的发光效率ηA与上述四个参量之间却表现出某种相反和相对立的关系.DCEL器件的光电特性具有强烈非线性和对电压方向的非对称性.正半周(或DC条件下)DCEL器件是在高电场和低电流激发下的发光.对发光起主要作用的是电场强度.在负半周时则是低电场和大电流激发下的发光.对发光起主要作用的是激发电流而不是电场强度.在AC条件下依材料、工艺、形成条件和工作电压的不同,DCEL器件可能更多地显示出正半周,负半周或两半周综合的光电特性.上述观点可以解释本文的实验结果.     

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管温度传感器特性

本文制作了基于无栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构的温度传感器,并对其温度相关的电学特性进行了表征.实验测试了器件从50℃到400℃的变温电流-电压特性,研究了器件灵敏度随着器件沟道长宽比的变化,并研究了在300—500℃高温的空气和氮气中经过1 h恒温加热后器件的电学特性变化.理论与实验研究结果表明,随着器件沟道长宽比的增大,器件的灵敏度会随之上升;在固定电流0.01 A下,器件电压随温度变化的平均灵敏度为44.5 mV/℃.同时,稳定性实验显示器件具有较好的高温保持稳定性.