电极结构优化对大功率GaN基发光二极管性能的影响

在台面结构的GaN基发光二极管(LED)里，电流要侧向传输，当尺寸与电流密度加大之后，由于n型GaN层和下限制层的横向电阻不能忽略，造成了横向电流分布不均匀.通过优化电极结构，以减小电流横向传输距离，制作出两种不同电极结构的大功率GaN基倒装LED.通过比较这两种不同电极结构的GaN基倒装大功率LED的电、光性能，发现在350mA正向电流下，插指电极结构的倒装大功率GaN基LED的正向电压为3.35V，比环形插指电极结构的倒装大功率GaN基LED高0.15V.尽管环形插指电极结构GaN基LED的发光面积略小于插指电极结构GaN基LED，但在大电流下，环形插指电极结构倒装GaN基LED的光输出功率比插指电极结构的倒装大功率LED的光输出功率大.并且在大电流下，环形插指电极结构的倒装大功率LED光输出功率饱和速度慢，而插指电极结构的倒装大功率LED光输出功率饱和明显.这说明优化电极结构能提高电流扩展均匀性，减小焦耳热的产生，改善GaN基LED的性能.     

GaN基垂直结构LED的n型电极结构设计及芯片制备

首先利用电流路径模型分析n型电极尺寸及间距等对垂直结构发光二极管(VS-LEDs)电流分布均匀性的影响,依此设计出一种螺旋状环形结构电极。其次,通过建立有限元分析软件Comsol仿真模型模拟VSLEDs有源层的电流密度分布,发现螺旋状环形结构电极的环间距越小,电流密度分布越均匀。最后,利用VS-LEDs芯片制备技术实现具有螺旋状环形电极的垂直结构LED芯片。实验结果显示,在350 m A电流驱动下,电极环间距为146.25μm的芯片具有最大的功能转换效率,达到26.8%。     

大功率GaN基发光二极管的电流扩展效应及电极结构优化研究

定性分析了GaN基LED的电流扩展效应,发现电流密度和电流横向扩展的有效长度对电流均匀扩展有很大影响.基于此,对GaN基大功率LED提出了优化的电极结构,以减缓电流拥挤效应,降低器件串联电阻.通过用红外热像仪测量器件表面的温度分布,发现具有优化的环形插指电极结构的GaN基大功率LED表面温度分布比较均匀,证明芯片接触处电流扩展均匀,局部电流密度降低,减小了焦耳热的产生,增强了器件的可靠性. 关键词： 氮化镓 发光二极管 电流扩展 电极结构优化     

大功率GaN基发光二极管的电流扩展效应及电极结构优化研究

定性分析了GaN基LED的电流扩展效应，发现电流密度和电流横向扩展的有效长度对电流均匀扩展有很大影响.基于此，对GaN基大功率LED提出了优化的电极结构，以减缓电流拥挤效应，降低器件串联电阻.通过用红外热像仪测量器件表面的温度分布，发现具有优化的环形插指电极结构的GaN基大功率LED表面温度分布比较均匀，证明芯片接触处电流扩展均匀，局部电流密度降低，减小了焦耳热的产生，增强了器件的可靠性.     

功率型GaN基发光二极管芯片表面温度及亮度分布的物理特性研究

基于电流连续方程、欧姆定律及定性三维热流传导模型研究发光二极管(LED)芯片 的电流密度分布、热量、温度之间的相互交叉关系,进而测试分析GaN基蓝光 LED电流扩展效应和亮度分布的关系,认为芯片亮度变化趋势可作为判别电流扩 展性能的有效手段. 由于芯片表面温度、亮度分布和电流密度之间存在紧密的联结 关系,通过测试芯片表面温度或亮度分布就可定性了解器件电流扩展性能, 从而为优化电极结构提供一种判定依据. 在不同电流和热沉温度下,进一步 讨论了电流密度非均匀性和亮度分布的关系, 电流密度拥挤将导致芯片局 部区域热量堆积,非辐射复合作用增强,限制出射光子数目, 因此热 量是影响亮度分布的重要因素之一. 通过载流子传输机理进一步说明 温度影响亮度均匀性的原因,并通过实验说明理论分析的可行性. 通过优化电极结构能改善器件的电流扩展效应以及亮度均匀性, 对提高大功率LED的可靠性具有重要作用.     

电极结构对AlGaInP-LED阵列电流分布的影响

以AlGaInP-LED外延片为基片,设计了分辨率为320×240、像素尺寸为100 μm×100 μm的微型LED阵列。针对目前LED阵列普遍存在的电流分布不均匀的问题,建立了内部电流分布模型,研究了电极结构、电极尺寸及电极间距等不同因素对LED电流分布造成的影响。在单条形电极结构的基础上进行优化,综合考虑不透明电极的遮光效应等因素得到三条形电极结构为最优的电极结构,该电极结构的LED有源层均匀发光面积比未经优化的单条形电极提高了65.02%,比双条形电极提高25.63%,有效提高了微型LED阵列的出光效率,对改善LED芯片发光均匀性具有参考意义。     

GaN基LED电流扩展的有限元模型及电极结构优化

针对目前蓝宝石衬底上外延生长制备的GaN基半导体发光二极管(LED)器件存在电流分布不均匀的问题,建立了LED的电流扩展模型,提出了定量评价其特性的参数和标准。通过用有限元方法计算LED中电流的三维空间分布,对不同的电极结构进行了定量的比较,给出了优化的电极结构。计算结果显示,在相同工艺参数下,采用插指型电极结构的LED与采用传统型电极结构和扩展正极型电极结构的LED相比,电流扩展更均匀,串联电阻更小。在此基础上,对插指型电极结构作了进一步的参数优化,得出了使LED的串联电阻取最小值时的插指型电极的结构参数。根据优化得到的参数制作了相应的LED样品,并与采用扩展正极型电极结构的LED做了对比实验。实验结果表明,计算得出的结果与实验结果符合得很好。采用了优化后的插指型电极结构的LED与采用扩展正极型电极结构的LED相比,前者的串联电阻仅为后者的44.4%。     

大功率倒装LED芯片陶瓷封装器件顶面微区发光均匀性

高功率密度的陶瓷封装LED器件在大电流工作时,其顶面发光均匀性是该类器件的关键指标。本文在3.5 mm×3.5 mm的氮化铝陶瓷基板上金锡共晶了1.905 mm×1.830 mm(75 mil×72 mil)的LED倒装蓝光大功率芯片,然后分别制作成蓝光器件和白光器件,并分别对器件顶面的微区发光均匀性进行了研究。结果表明,蓝光器件在电流3 A时,其顶面光强分布均匀,均匀性受N电极孔和电极间隙的影响较小;在4～8 A电流时,蓝光器件顶面光强分布不均匀,贯穿N电极孔测试区的光强大于电极孔之间测试区的光强,电极间隙区光强最低,离N电极孔越远的测试点光强越低;蓝光器件在8 A时整体光强达到饱和,而不同微区的光饱和程度及峰值波长随电流的变化有所不同;白光器件在0～4 A电流时,其顶面光强分布均匀。     

微型倒装AlGaInP发光二极管阵列器件的光电性能

为进一步提高红光微型发光二极管(LED)阵列器件的能量利用效率,对倒装AlGaInP LED阵列器件的光电性能进行研究。首先,测试对比了垂直型和倒装型AlGaInP LED两种芯片结构的出光性能,表明倒装型LED具有更高的出光功率。其次,建立了倒装型LED阵列出光功率模型,计算得到了出光功率与环境温度、基底热阻的关系:随基底热阻增大、环境温度升高,AlGaInP LED阵列器件的出光功率逐渐降低,出光饱和处对应的注入电流前移,光电性能逐渐下降。然后,采用转印法制备了6×6倒装AlGaInP LED阵列,测试结果表明,理论与实测结果较为一致。最后,利用有限元软件计算分析了Cu和聚二甲基硅氧烷(PDMS)这两种常见基底的热阻随环境、结构变化的数值关系。结果显示:Cu基底的散热较为均匀,优化基底结构或增加空气对流速率,对Cu基底热阻值的改变相对较小;PDMS材料的散热均匀性相对较差,通过优化基底结构、增大空气对流速率可以有效降低基底热阻,改善微型LED阵列器件的光电性能。     

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。     

电流拥挤效应与LED器件可靠性分析

对小功率GaN基白光LED的电流拥挤效应进行了研究,发现串联灯组(8只为一组)在经过22 V电压冲击后出现漏电失效现象。通过Pspice软件对串联LED灯组进行模拟,发现与其他样品相比,受损样品承受了更大的电压和功率;对器件加-2 V偏压,利用光发射(EMMI)显微镜对芯片表面不同量级漏电流进行定位分析比较,结果表明漏电流集中在p型扩展电极端点附近。分析认为,电压冲击的破坏路径穿过了LED的量子阱结构,而电流的不均匀分布造成了 p型扩展电极附近的电流拥挤,加剧了pn结的损伤程度,提高电流扩展的均匀性可以有效提高LED的可靠性。最后还对在正向电流-电压区域出现微分负阻特性的器件进行了失效分析。     

GaN基白光LED可靠性研究与失效分析

针对LED样品检测中的样品短路失效、LED光源黑化、光通量下降和芯片表面通孔异常现象,采用金相切片、机械微操、静电测试等方式结合扫描电镜和能谱仪（EDS）等表征手段对失效机制进行了分析,揭示了LED失效原因。包括镀层银离子与杂质硫离子导致光源黑化;芯片抗静电电压低,部分样品发生静电击穿;失效芯片通孔下面的Ni-Sn共晶层存在大量空洞,使得复杂结构的芯片通孔应力不均,样品工作时芯片表面开裂破碎,从而导致PN结短路失效;封装胶中残存的杂质离子腐蚀芯片负电极导致电极脱落而出现漏电、光衰和死灯等现象。     

LED感应局部加热封装试验研究

采用感应局部加热技术,对大功率发光二极管(LED)封装进行了试验研究。结果表明,由于感应加热对材料和结构具有选择性,封装过程中仅Cu-Sn合金焊料层加热,实现了芯片和覆铜陶瓷基板间的热键合。封装后的LED性能测试表明,该封装技术不仅降低了热阻,使LED在高电流下(4倍电流)仍能保持较低的工作温度,而且降低了热应力和整体高温对芯片结构的损坏,提高了器件性能和可靠性。     

Numerical Simulation on Thermal-Electrical Characteristics and Electrode Patterns of GaN LEDs with Graphene/NiO_x Hybrid Electrode

The thermal-electrical characteristic of a GaN light-emitting diode(LED) with the hybrid transparent conductive layers(TCLs) of graphene(Gr) and NiO_x is investigated by a finite element method.It is indicated that the LED with the compound TCL of 3-layer Gr and 1 nm NiO_x has the best thermal-electrical performance from the view point of the maximum temperature and the current density deviation of multiple quantum wells,and the maximum temperature occurs near the n-electrode rather than p-electrode.Furthermore,to depress the current crowding on the LED,the electrode pattern parameters including p- and n-electrode length,p-electrode buried depth and the distance of n-electrode to active area are optimized.It is found that either increasing p- or n-electrode length and buried depth or decreasing the distance of n-electrode from the active area will decrease the temperature of the LED,while the increase of the n-electrode length has more prominent effect.Typically,when the n-electrode length increases to 0.8 times of the chip size,the temperature of the GaN LED with the1 nm NiO_x/3-layer-Gr hybrid TCLs could drop about 7K and the current density uniformity could increase by23.8%,compared to 0.4 times of the chip size.This new finding will be beneficial for improvement of the thermalelectrical performance of LEDs with various conductive TCLs such as NiO_x/Gr or ITO/Gr as current spreading layers.     

51 V GaN基高压LED的热分析

设计并制备了51 V高压LED。对器件进行了大电流冲击试验并对器件的损毁原因进行了分析。运用有限元分析软件ANSYS对LED关键结构部位进行参数化建模及热分布模拟,得到其稳态的温度场分布;然后经过与红外热像仪成像图对比,得出电极烧毁的原因在于芯粒连接处的电极过薄过窄而导致的电阻过大,为后续设计更可靠的高压LED提供了参考。对芯片分别进行蓝光及色温5 000 K的白光封装,并分别测量了热阻,涂覆荧光粉的白光灯珠的热阻要比没有涂覆荧光粉的蓝光灯珠高约4℃/W。同时,51 V高压LED的热阻比1 W大功率LED要高,说明高压LED的散热性能比常规LED要差,这可能与高压LED具有深沟槽及众多的互联电极结构有关。     

多量子阱超辐射发光二极管(SLD)热分布计算

对由8个量子阱所组成的条形超辐射发光二极管(Super luminescent diode,SLD)进行了热分析,计算了不同器件结构下的热阻和温度分布。计算结果表明,热阻变化受芯片宽度和长度的影响较大,可以达到两个数量级;当注入功率达到1W时,有源区的温度将接近50K。该分析对有效地设计芯片的结构,减少温度升高对SLD稳定性的影响具有指导意义。     

刻蚀深度对GaN基微尺寸LED芯片RC特性的影响

隔离槽的制作是实现阵列芯片单元独立的有效方法。本文采用感应耦合等离子体干法刻蚀（ICP）和具有高刻蚀比的SiO₂与光刻胶混合掩膜在GaN基微尺寸LED上制备了3种深度的隔离槽和6种不同的芯片尺寸结构。通过电致发光（EL）和电容计表征不同刻蚀深度对LED芯片电学性能和电容大小的影响。实验结果表明,小尺寸的芯片有着更高的电流承受密度和更小的电容值,隔离槽刻蚀深度的增加能降低电容和电阻,从而使RC时间常数得到降低。有源层直径为120 μm的芯片从仅有Mesa刻蚀到完全刻蚀到蓝宝石衬底,其RC调制带宽从155 MHz增大到176 MHz。减小芯片尺寸和完全刻蚀到蓝宝石衬底能有效减小芯片RC常数。这些工作将有助于GaN基LED的未来设计和制造,以提高高频可见光通信的调制带宽和光功率。     

倒装芯片塑料球栅阵列封装器件在外应力下的失效机理

倒装芯片塑料球栅阵列(FC-PBGA)封装形式独特而被广泛应用, 分析研究其在实际应用过程中, 在高温、电、水汽等多种综合环境应力条件作用下的失效机理对提高其应用可靠性有重要意义. 本文对0.13 μm 6层铜布线工艺的FC-PBGA FPGA器件, 通过暴露器件在以高温回流焊过程中的热-机械应力为主的综合外应力作用下的失效模式, 分析与失效模式相对应的失效机理. 研究结果表明, FC-PBGA器件组装时的内外温差及高温回流焊安装过程中所产生的热-机械应力是导致失效的根本原因, 在该应力作用下, 芯片上的焊球会发生再熔融、桥接相邻焊球致器件短路失效; 芯片与基板之间的填充料会发生裂缝分层、倒装芯片焊球开裂/脱落致器件开路失效; 芯片内部的铜/低k互连结构的完整性受损伤而影响FC-PBGA器件的使用寿命.