高效率GaN基高压LED芯片的制备及COB封装

为提升GaN基高压LED芯片的出光性能,优化了芯片发光单元之间隔离沟槽的宽度.当隔离沟槽宽度为20μm时,芯片的电学性能和光学性能最优.当注入电流为20 mA时,正向电压为50.72 V,输出光功率为373.64 mW,电光转换效率为36.83％.采用镜面铝基板和陶瓷基板进行了4颗芯片串联形式的COB封装.镜面铝基板的热导率和反射率均高于陶瓷基板,可提升HV-LED器件在大注入电流和高温时的发光性能.当注入电流为20 mA且基板温度为20℃时,镜面铝基板封装的HV-LED器件的正向电压是198.9 V,发光效率达122.2 lm/W.     

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.     

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。     

基于金属线路板的新型大功率LED及其光电特性研究

设计、制作了基于金属线路板和板上芯片技术的大功率白光LED,对其光电特性进行了实验测量,输入电流达到800 mA,对应的输入功率3.3 W,大功率LED的输出光通量才达到饱和.输入电流达到900 mA,对应的输入功率3.8 W,大功率LED电流—电压特性仍未表现出饱和特性.实验结果表明,采用金属线路板和板上芯片技术可以得到良好的散热特性,大大提高LED的输入功率.同时还测量了光谱分布、光通量、色坐标随电流的变化情况,对其中的变化规律进行了理论分析.     

像素分割对LED电流密度及光照度分布的影响

将300μm×300μm LED芯片阵列化为间隔为20μm的3×3个80μm×80μm的子单元,阵列化后,总饱和光输出功率是未阵列化前的5.19倍,最大注入电流提高近7倍,表明阵列可以注入更大的电流和输出更高的饱和光功率。此外,采用多颗阵列化后的LED芯片形成的芯片组照明,得知芯片组间距为最大平坦条件dmax时,接收面上照度均匀性最佳;芯片组数越多,接收面上均匀照度的面积越大。同时,9颗300μm×300μm的芯片阵列化为9个80μm×80μm LED芯片后,以dmax排列照明相对于9颗未阵列化的300μm×300μm芯片以dmax排列照明时,接收面上的光照度均匀性不变,照度值提高了3倍。     

利用截头圆锥形仿生蛾眼结构提高LED光提取效率

为提高发光二极管(LED)光提取效率,根据等效介质理论在LED钝化层(SiNx)表面设计并制作了一种截头圆锥形微结构阵列。通过模拟重点分析了微结构的底面占空比、底面直径、高度和倾角对提高LED光提取效率的影响,得出微结构的底面占空比为0.55、底面半径为220nm、高度为245nm、侧面倾角为70°时器件的光提取效率最优,是无表面微结构器件的4.85倍。采用纳米球刻蚀技术在LED钝化层表面制备该亚波长纳米结构,并与无表面微结构的LED芯片进行电致发光对比测试。结果表明,制作有微结构的样品在20 mA和150 mA工作电流下的发光效率是无微结构参考样品的4.41倍和4.36倍,计算结果与实验结果比较一致,说明在LED钝化层制作该结构可有效提高光提取效率。     

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。     

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%。     

中高温GaN插入层厚度对蓝光LED光电性能的影响

利用金属有机气相化学沉积(MOCVD)技术在蓝宝石图形衬底上生长GaN基蓝光LED,并系统研究了不同中高温GaN插入层厚度对其光电性能的影响。利用芯片测试仪和原子力显微镜(AFM)表征了GaN基蓝光LED外延片的光电性能以及表面形貌。当中高温GaN插入层厚度从60 nm增加至100 nm时,V形坑尺寸从70~110 nm增加至110~150 nm。当注入电流为20 mA时,LED芯片的光功率从21.9 mW增加至24.1mW;当注入电流为120 mA时,LED芯片的光功率从72.4 mW增加至82.4 mW。对V形坑尺寸调控LED光电性能的相关物理机制进行了分析,结果表明:增大V形坑尺寸有利于增加空穴注入面积和注入效率,进而提高LED器件的光功率。     

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     

GaN基LED低温空穴注入层的MOCVD生长研究

针对GaN基LED空穴注入效率低的问题,在量子阱与电子阻挡层之间插入低温空穴注入层（LT-HIL）,实验研究了MOCVD生长LT-HIL时二茂镁（Cp₂Mg）流量和生长温度的影响。结果表明：随着Cp₂Mg流量的增加,外延薄膜晶体质量下降,外延片表面平整度和均匀性降低;而受Mg掺杂时补偿效应的影响,主波长先红移后蓝移,芯片的输出光功率先升高后降低,正向电压先降低后升高。相比于无LT-HIL的样品,在20 mA工作电流下,Cp₂Mg流量为1.94 μmol/min时制备的芯片的输出光功率提升20.3%,而正向电压降低0.1 V。在Cp₂Mg流量较大时,LT-HIL的渐变式生长温度对外延质量有所改善,但不是主要影响因素。     

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。     

高温预生长对图形化蓝宝石衬底GaN薄膜质量的提高

在图形化蓝宝石衬底生长低温缓冲层之前,通入少量三甲基镓（TMGa）和大量氨气进行短时间的高温预生长,通过改变TMGa流量制备了4个蓝光LED样品。MOCVD外延生长时使用激光干涉仪实时监测薄膜反射率,外延片使用高分辨率X射线衍射（002）面和（102）面摇摆曲线估算位错密度,并使用光致发光谱表征发光性能,制备成芯片后测试了正向电压和输出光功率。结果表明,高温预生长可促进薄膜的横向外延,使得三维岛状GaN晶粒在较小的薄膜厚度内实现岛间合并,有利于降低位错密度,提高外延薄膜质量,LED芯片的输出光功率的增强幅度达29.1%,而电学性能无恶化迹象;但高温预生长工艺中TMGa的流量应适当控制,过量的TMGa导致GaN晶粒过大,将延长岛间合并时间,降低晶体质量。     

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。     

GaN基白光LED的结温测量

用正向电压法、管脚法和蓝白比法等三种方法测量GaN基白光LED的结温,获得了较为准确的结温,误差可以控制在4℃以内.正向电压法在恒定电流的条件下,得到了正向电压与结温的线性关系;蓝白比法在不同环境温度和不同注入电流两种情况下,都得到了蓝白比与结温较好的线性关系.提出了蓝白比法可能的物理机制,提高环境温度和增大注入电流都会使结温升高,蓝光峰值波长也会改变,这两个因素都会影响荧光粉的激发和发光效率.降低结温需要考虑的主要因素有白光LED的接触电阻、串联电阻和外量子效率,封装材料的热导率,反射杯和管脚的设计,以及空气散热部分的散热面积等.     

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。     

纳米折叠InGaN/GaN LED材料生长及器件特性

在以自组织Ni纳米岛为掩膜制作的n-GaN纳米柱上,利用MOCVD方法外延生长了具有折叠InGaN/GaN多量子阱(MQW)的LED结构外延片,进而制作了LED器件.外延片上中下游的光致荧光测试,结果表明外延片具有很好的均匀性.用该外延片制作的LED的电致发光谱,随注入电流增加没有明显蓝移,这表明纳米结构能更好地释放应力,纳米柱上外延生长的多量子阱,具有较低的压电极化电场.正向工作电流20 mA时,LED器件的工作电压为4.6 V. 关键词： 纳米柱LED 光致发光 电致发光     

硅基板和铜基板垂直结构GaN基LED变温变电流发光性能的研究

本文将硅(Si)衬底上外延生长的氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)薄膜剥离转移到新的硅基板和紫铜基板上,并获得了垂直结构的LED芯片,对其变温变电流电致发光(EL)特性进行了研究. 结果表明:当环境温度不变时,在13 K低温状态下铜基板芯片的EL波长始终大于硅基板芯片约6 nm,在300 K 状态下随着驱动电流的加大铜基板芯片的EL波长会由大于硅基板芯片3 nm左右而逐渐变为与硅基板芯片重合;当驱动电流不变时,环境温度由13 K升高到320 K,两种基板芯片的EL波长随温度升高呈现S形变化并且波谱逐渐趋于重合;在100 K以下温度时铜基板芯片的Droop效应比硅基板芯片明显,在100 K 以上温度时硅基板芯片的Droop效应比铜基板芯片明显. 可能是由于两种芯片的基板具有不同的热膨胀系数和热导率导致了其变温变电流的EL特性不同. 关键词： GaN 热膨胀系数 内量子效率 热导率     

GaN基高压直流发光二极管制备及其性能分析

GaN基高压直流发光二极管工艺制备, 采用蓝宝石图形衬底(PSS) 外延片制备正梯形芯粒结构的GaN基高压直流LED.相对其他结构器件, 该结构器件发光效率最高, 封装白光后, 在色温4500 K, 驱动电流20 mA时, 光效116.06 lm/W, 对应电压50 V. 测试其I-V曲线表明, 开启电压为36 V, 对应驱动电流为1.5 mA; 在电流15 mA至50 mA时, 光功率随驱动电流增加近似于线性增加, 在此区域光效随电流增加而降低的幅度比较缓慢, 表明GaN基高压直流LED适宜于采用大电流密度驱动, 而不会出现驱动电流密度增加导致量子效率明显下降(efficiency droop), 为从芯片层面研究解决量子效率下降难题提供了一种新思路.     

大功率白光LED恒压驱动与恒流驱动下温度特性的实时测量

采用贴片pt100设计一种快响应温度计,在恒压和恒流驱动下分别实时测量大功率白光LED温度对光电参数的影响,测量误差小、效率高.实验表明,LED在恒压驱动时电流和光强随温度的升高而增大,而在恒流驱动时光强随温度的升高而减小;发光效率在恒流和恒压驱动时均随温度的升高而降低,但前者影响较小.