高亮度白光LED用外延片的新进展

文章首先介绍了发光二极管（LED）的内量子效率、外量子效率的基本概念和提高量子效率的基本方法,接着对LED外延的结构和方法做了简要介绍.文章的第三和第四部分则着重介绍了提高内、外量子效率的外延方法,这些方法包括外延结构的优化,侧向外延生长,SiC和GaN衬底的生长,AlInGaN四元系有源区生长,非极性面、半极性面的外延,表面粗化结构生长,图形化二次外延结构.图形化蓝宝石衬底上的外延,提高载流子注入效率的结构和组分设计.文章的第五部分则介绍了基于可靠性和成本考虑的其他新型外延结构,第六部分介绍了提高LED     

InGaN/GaN多量子阱蓝光LED外延片的变温光致发光谱

利用MOCVD在Al_2O_3(0001)衬底上制备InGaN/GaN MQW结构蓝光LED外延片。以400 mW中心波长405 nm半导体激光器作为激发光源,采用自主搭建的100～330 K低温PL谱测量装置,以及350～610 K高温PL测量装置,测量不同温度下PL谱。通过Gaussian分峰拟合研究了InGaN/GaN MQW主发光峰、声子伴线峰、n-GaN黄带峰峰值能量、相对强度、FWHM在100～610 K范围的温度依赖性。研究结果表明:在100～330 K温度范围内,外延片主发光峰及其声子伴线峰值能量与FWHM温度依赖性,分别呈现S与W形变化;载流子的完全热化分布温度约为150 K,局域载流子从非热化到热化分布的转变温度为170～190 K;350～610 K高温范围内,InGaN/GaN MQW主发光峰峰值能量随温度变化满足Varshni经验公式,可在MOCVD外延生长掺In过程中,通过特意降温在线测PL谱,实时推算掺In量,在线监测外延片生长。以上结果可为外延片的PL发光机理研究、高温在线PL谱测量设备开发、掺In量的实时监测等提供参考。     

极性、半极性和非极性InN薄膜的MOCVD外延生长与表征

利用金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）技术,在不同晶面的蓝宝石（Al2O3）衬底上实现了极性（0002）面、半极性（11-22）面和非极性（11-20）面InN薄膜的外延生长,并通过多种表征手段对三个不同极性面InN薄膜的结构和光学特性进行了系统研究。X射线衍射（XRD）曲线展示了（0002）、（11-22）和（11-20）面InN较强的衍射峰,表明InN薄膜具有较高的成膜质量。通过扫描电子显微镜（SEM）表面图发现,极性（0002）面InN的表面形貌较光滑,而半极性和非极性InN表面均存在未完全合并的孔洞。光致发光（PL）光谱展示,不同极性面InN的峰值能量在0.63 eV附近,并从极性、半极性到非极性逐渐红移。此外,可见-红外分光光度计测得的透射谱显示,极性（0002）面InN的吸收边约为0.85 eV,而半极性（11-22）面和非极性（11-20）面InN的吸收边约为0.78 eV,表明极性InN具有更大的斯托克斯位移。     

利用选择性外延法生长单芯片双波长白光InGaN/GaN多量子阱结构

为了制备单芯片无荧光粉白光InGaN/GaN多量子阱发光结构,利用选择性外延生长法在SiO2条纹掩膜板上生长出具有梯形形貌的GaN微面结构,并在该GaN微面结构上生长InGaN/GaN多量子阱结构,最终在单芯片上获得了双波长发光.结果表明:梯形GaN微面由(0001)和(11-22)面组成,两者的表面能和极性不同,并且在InGaN/GaN多量子阱生长过程中,In原子和Ga原子迁移速率不同,从而使得(0001)和(11-22)面上的多量子阱具有不同的发光波长;该性质可以使(11-22)面的微面量子阱发出蓝光(峰值波长为420nm),而(0001)面的量子阱发出黄光(峰值波长为525nm),最终形成双波长的复合白光外延结构.     

传统白光LED与远程荧光粉白光LED的发光性能比较

研究了传统白光LED与蓝光激发的球冠形远程荧光粉白光LED在不同电流、不同热沉温度下的发光性能,并对其机理差异展开了探讨。实验结果表明：随热沉温度和驱动电流的上升,传统白光LED的量子效率和电光转换效率急剧下降,并导致其Y/B比（Yellow/Blue Ratio）下降,相关色温上升。而在远程荧光粉白光LED中,其量子效率、光转换效率和相关色温在相同实验条件下变化幅度都较小。由光强空间分布和Y/B比空间分布可知,远程荧光粉白光LED的光强分布呈类似蝠翼分布,且Y/B比空间均匀性远大于传统白光LED。     

传统白光LED与远程荧光粉白光LED的发光性能比较

研究了传统白光LED与蓝光激发的球冠形远程荧光粉白光LED在不同电流、不同热沉温度下的发光性能,并对其机理差异展开了探讨。实验结果表明:随热沉温度和驱动电流的上升,传统白光LED的量子效率和电光转换效率急剧下降,并导致其Y/B比(Yellow/Blue Ratio)下降,相关色温上升。而在远程荧光粉白光LED中,其量子效率、光转换效率和相关色温在相同实验条件下变化幅度都较小。由光强空间分布和Y/B比空间分布可知,远程荧光粉白光LED的光强分布呈类似蝠翼分布,且Y/B比空间均匀性远大于传统白光LED。     

非等温耦合模型下大功率LED特性的研究

本文建立了发光二极管(LED)芯片的非等温多物理场耦合模型。结果表明,芯片内热源集中在多量子阱(MQWs)区域,且靠近p-GaN的第一个量子阱(QW)内的内热源强度最高;焦耳热和非辐射复合热贡献大,而汤姆逊热和帕尔帖热贡献小,可忽略。等温模型与非等温模型的对比表明,在大电流或低冷却能力条件下,芯片内部与芯片衬底温差显著,等温模型无法准确预测芯片性能,需采用非等温模型。     

高亮度发光二极管中的电注入和光输出过程的理论分析

通过对典型结构的高亮度发光二极管（HB－LED）的注入电流扩展以及器件的光输出的理论分析，计算了LED的电流密度分布和光输出效率与顶层厚度的关系，结果表明顶层厚度对器件光电特性的影响很大，较厚的顶层可以使器件的注入电流容易扩展、光容易耦合输出。优化设计后得到顶层厚度应该在49－98μm之间。最后给出器件外量子效率与顶层厚度的关系曲线，并预言以GaAs为吸收衬底的LED外量子效率最大不超过12．1％。     

白光照明LED灯温度特性的研究

分析了荧光粉转换型白光LED照明光源色坐标、显色指数、色温和发光效率与驱动电流和温度的关系。驱动电流的增加将引起蓝光波峰的长移，并随电流的增大而增大；但其对色坐标、色温和显色指并未引起较大的变化，而发光效率发生下降，主要原因为蓝光波峰的红移导致荧光粉与激发波长的不匹配，引起荧光粉发光效率的下降，这个现象在不同环境温度下的发光也得到证实，实验结果认为LED的驱动电流为20mA，温度低于50℃时具有较好的发光效率，而显色指数要通过增加红色成分来改善。     

Studies in crystal structure and luminescence properties of Eu-doped metal tungstate phosphors for white LEDs

The correlation between the crystal structure and luminescent properties of Eu³⁺-doped metal tungstate phosphors for white LEDs was investigated. Red-emitting A_4−3x(WO₄)₂:Eu_x³⁺ (A=Li, Na, K) and B_(4−3x)/2(WO₄)₂:Eu_x³⁺ (B=Mg, Ca, Sr) phosphors were synthesized by solid-state reactions. The findings confirmed that these phosphors exhibited a strong absorption in the near UV to green range, due to the intra-configurational 4f-4f electron transition of Eu³⁺ ions. The high doping concentration of Eu³⁺ enhanced the absorption of near UV light and red emission without any detectable concentration quenching. Based on the results of a Rietveld refinement, it was attributed to the unique crystal structure. In the crystal structure of the Eu³⁺-doped metal tungstate phosphor, the critical energy transfer distance is larger than 5 Å so that exchange interactions between Eu³⁺ ions would occur with difficulty, even at a high doping concentration. The energy transfer between Eu³⁺ ions, which causes a decrease in red emission with increasing concentration of Eu³⁺, appears to be due to electric multi-polar interactions. In addition, the Eu-O distance in the host lattice affected the shape of emission spectrum by splitting of emission peak at the ⁵D₀→⁷F₂ transition of Eu³⁺.