基于CPLD的LED芯片光谱采集系统的研究

发光二极管(light emitting diode,LED)芯片的光谱检测是LED芯片规模化制造中的一项关键技术。根据光谱测量原理,针对LED芯片光谱测量应用的要求,文章研究了基于复杂可编程逻辑器件(complex programmable logic device, CPLD)的LED芯片光谱采集系统。以CPLD为主芯片,为线阵电荷耦合器件(charge coupled device, CCD)提供工作时序信号,同时控制信号调理、转换、传输模块中的采样率和数据的存储与传输。采用光栅单色仪作为分光器件,线阵CCD作为光电转换器件,检测LED芯片的相对光谱能量分布曲线,同时计算LED芯片光学特性的光谱参数。基于CPLD的LED芯片光谱采集系统简单、快速,同时能达到LED芯片光谱检测精度的要求。     

Si(110)和Si(111)衬底上制备InGaN/GaN蓝光发光二极管

分别在Si(110)和Si(111)衬底上制备了In Ga N/Ga N多量子阱结构蓝光发光二极管(LED)器件.利用高分辨X射线衍射、原子力显微镜、室温拉曼光谱和变温光致发光谱对生长的LED结构进行了结构表征.结果表明,相对于Si(111)上生长LED样品,Si(110)上生长的LED结构晶体质量较好,样品中存在较小的张应力,具有较高的内量子效率.对制备的LED芯片进行光电特性分析测试表明,两种衬底上制备的LED芯片等效串联电阻相差不大,在大电流注入下内量子效率下降较小;但是,相比于Si(111)上制备LED芯片,Si(110)上LED芯片具有较小的开启电压和更优异的发光特性.对LED器件电致发光(EL)发光峰随驱动电流的变化研究发现,由于Si(110)衬底上LED结构中阱层和垒层存在较小的应力/应变而在器件中产生较弱的量子限制斯塔克效应,致使Si(110)上LED芯片EL发光峰随驱动电流的蓝移量更小.     

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。     

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.     

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.     

步进扫描时间分辨光谱及其在太阳电池光电导上的应用

建立傅里叶变换步进扫描时间分辨光电导光谱，并研究太阳电池中与转换效率密切相关的少数载流子寿命.实验选取三种典型的硅太阳电池(单晶硅样品1、多晶硅样品2和多晶硅样品3 )，发现其瞬态光电导的上升和衰退曲线可以分别用两个简单的指数函数描述.由于有复合中心的参与，复合过程中少数载流子的寿命比产生过程中的寿命短.为验证实验结果的可靠性，采用了提取样品少数载流子的体寿命和计算其有效扩散长度两种方法.通过与太阳电池暗伏安特性和负载特性研究相结合，进一步分析和讨论了少数载流子寿命与短路电流、开路电压和转换效率的关系.同时探讨了步进扫描时间分辨光谱实验的其他用途. 关键词： 步进扫描 时间分辨 硅太阳电池 瞬态光电导     

具有三角形InGaN/GaN多量子阱的高内量子效率的蓝光LED(英文)

对InGaN量子阱LED的内量子效率进行了优化研究。分别对发光光谱、量子阱中的载流子浓度、能带分布、静电场和内量子效应进行了理论分析。对具有不同量子阱数量的InGaN/GaN LED进行了理论数值比对研究。研究结果表明,对于传统结构的LED而言,2个量子阱的结构相对于5个和7个量子阱具有更好的光学性能。同时还研究了具有三角形量子阱结构的LED,研究结果显示,三角形多量子阱结构具有较高的电致发光强度、更高的内量子效率和更好的发光效率,所有的优点都归因于较高的电子-空穴波函数重叠率和低的Stark效应所产生的较高的载流子输入效率和复合发光效率。     

不规则H形量子势垒增强AlGaN基深紫外发光二极管性能

针对AlGaN基多量子阱中有效的平衡载流子注入问题,研究了有源区势垒层中Al组分调制形成的非规则H形量子势垒对AlGaN基深紫外发光二极管(LED)器件性能的影响及载流子的输运行为。研究发现,与多量子阱中常用的单Al组分势垒相比,加入Al组分较高的双尖峰势垒可以有效地提高内量子效率和光输出功率。进一步研究表明,电子在有源区因凸起的尖峰势垒而得到了有效的阻挡,减少了电子的泄露,而空穴获得更多的动能从而穿过较高的势垒进入有源区。因此,采用非对称H形量子势垒的深紫外LED器件中载流子输运实现了较好的平衡,量子阱中的载流子复合速率远高于普通的深紫外发光二极管。     

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，AIInGaN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可靠性的外延方法．最后得出结论：采用非极性面的GaN衬底，生长优化的LED结构，并结合光子晶体技术，可望取得突破性进展．     

钙钛矿太阳能电池研究进展:空间电势与光电转换机制

钙钛矿太阳能电池具有高光电转换效率和低成本制备的特点,是极具希望实现大规模应用的下一代光伏技术.然而,对该类器件的光电转换过程的认知仍然不够清晰,相关研究难以直接观测器件内部的空间电势及其对光生电荷载流子的影响.开尔文探针力显微镜技术能够直接探测出器件空间电势的分布,进而直接反映器件工作的状态,成为理解钙钛矿太阳能电池的光电转换机理的有效途径.本文主要介绍了钙钛矿太阳能电池内部空间电势分布与光电转换机制的研究进展,集中讨论了通过开尔文探针力显微镜技术直接探测空间电势的光致变化和电致变化来揭示电荷载流子产生、分离、输运、复合等光电转换关键机制,并对其在未来研究中存在的问题和挑战做了进一步的展望.     

Si衬底GaN基LED的结温特性

结温是发光二极管的重要参数之一,它对器件的内量子效率、输出功率、可靠性及LED的其他一些性能有很大的影响。首次报道Si衬底GaN基LED的结温特性。利用正向压降法测量Si衬底上GaN基LED的结温,通过与蓝宝石衬底上GaNLED的结温比较,发现Si衬底GaNLED有更低的结温,原因归结为Si有更好的导热性。同时也表明:用Si作GaNLED的衬底在大功率LED方面具有更大的应用潜力。     

全息技术制作二维光子晶体蓝宝石衬底提高发光二极管外量子效率

为了提高GaN基发光二极管(LED)的外量子效率,在蓝宝石衬底制作了二维光子晶体.衬底上的二维光子晶体结构采用激光全息技术和感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀技术制作,然后采用金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)技术在图形蓝宝石衬底(PSS)上生长2μm厚的n型GaN层,4层量子阱和200nm厚的p型GaN层,形成LED结构.衬底上制作的二维光子晶体为六角晶格结构,晶格常数为3.8μm,刻蚀深度为800nm.LED器件光强输出测试结果显示,在PSS上制作的LED(PSS-LED)的发光强度普遍高于蓝宝石平 关键词： 全息 发光二极管 图形蓝宝石衬底 外量子效率     

Enhanced Photoluminescence of InGaN/GaN Green Light-Emitting Diodes Grown on Patterned Sapphire Substrate

Green InGaN/GaN based light-emitting diodes （LEDs） are fabricated both on planar and wet-etched patterned sapphire substrates by metalorganic vapour phase epitaxy （MOVPE）. Their photoluminescence （PL） properties of the two samples are studied. The results indicate that the PL integral intensity of the green LED on the patterned substrate is nearly two times of that on the planar one within the whole measured temperature range. The enhanced PL intensity in the green LED on the patterned substrate is shown completely contributed from the extraction efficiency, but not from the internal quantum efficiency. The conclusion is supported by temperature-dependent PL analysis on the two samples, and the mechanisms axe discussed.     

Internal quantum efficiency of GaN-based light-emitting diodes grown on silicon substrates determined from rate equation analyses

We present a convenient and reliable method for determining the internal quantum efficiency (IQE) in GaN-based blue light-emitting diodes (LEDs) grown on Si(111) substrates based on the carrier rate equation model. By using the peak point of the efficiency curve in photoluminescence (PL) measurements as the parameter of the rate equation analysis, the IQE can be unambiguously determined without any pre-assumed parameters. The theoretical IQE model is used to fit the measured PL efficiency curves and the IQE of LED samples are determined. The maximum IQE of the LED sample grown on the Si substrate was obtained to be 0.74, which is found to agree well with the results obtained by conventional temperature-dependent PL measurements.     

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%。     

Investigation of wavelength-dependent efficiency droop in InGaN light-emitting diodes

The physical mechanisms leading to the efficiency droop of InGaN/GaN light-emitting diodes (LEDs) are theoretically investigated. We first discuss the effect of Auger recombination loss on efficiency droop by taking different Auger coefficients into account. It is found that the Auger recombination process plays a significant nonradiative part for carriers at typical LED operation currents when the Auger coefficient is on the order of 10⁻³⁰ cm⁶ s⁻¹. Furthermore, the InGaN/GaN multiple-quantum-well (MQW) LEDs with varied indium compositions in InGaN quantum wells are studied to analyze the wavelength-dependent efficiency droop. The simulation results show that the wavelength-dependent efficiency droop is caused by several different effects including non-uniform carrier distribution, electron overflow, built-in electrostatic field induced by spontaneous and piezoelectric polarization, and Auger recombination loss. These internal physical mechanisms are the critical factors resulting in the wavelength-dependent efficiency droop in InGaN/GaN MQW LEDs.     

Forming the graded-refractive-index antireflection layers on light-emitting diodes to enhance the light extraction

Distributed antireflection (AR) layers with different composition ratios of ITO and SiO(2) formed on an ITO electrode of GaN-based LEDs provide substantial enhancement in light-extraction efficiency. By using the coradio frequency magnetron sputtering deposition, four 50 nm thick AR layers with graduated refractive indices were fabricated. The effect of the AR layers on enhancing the efficiency of the LED device was analyzed by electroluminescence (EL) and I-V measurements. As a result, the EL intensity of the LED device grown on the patterned sapphire substrate with AR layers was increased by up to 13% compared to the conventional patterned sapphire substrate-applied LED device without AR layers at a drive current of 20 mA. The AR layers on top of the LED device gradually changed the refractive indices between ITO (n=2.1) and air (n=1.0), which minimized the total internal reflection of generated light. And no degradation in the electrical characteristic of the LEDs was observed according to the I-V measurements.     

p-GaN插入层调控InGaN基黄绿双波长LED发光光谱

采用MOCVD技术在硅衬底上生长了含有7个黄光量子阱和1个绿光量子阱的混合有源区结构的InGaN基黄绿双波长LED外延材料,研究了电子阻挡层前p-GaN插入层厚度对黄绿双波长LED载流子分布及外量子效率(EQE)的影响。通过LED变温电致发光测试系统对LED光电性能进行了表征。结果表明,100 K小电流时随着电流密度的增大,三组样品的绿光峰与黄光峰相对强度的比值越来越大,且5.5 A·cm^-2的电流密度下,随着温度从300 K逐步降低至100 K,三组样品的绿光峰与黄光峰相对强度的比值也越来越大,说明其载流子都在更靠近p型层的位置发生辐射复合。三组样品的p-GaN插入层厚度为0,10,30 nm时,EQE峰值依次为29.9%、29.2%和28.2%,呈现依次减小的趋势,归因于p-GaN插入层厚度越大,p型层越远离有源区,空穴注入也越浅。电子阻挡层前p-GaN插入层可以有效减小器件EL光谱中绿光峰随着电流密度增加时峰值波长的蓝移(33 nm),实现了对低温发光光谱的调控。     

量子阱结构对含V形坑InGaN/GaN蓝光LED效率衰减的影响

使用MOCVD在图形化Si衬底上生长了含V形坑的InGaN/GaN蓝光LED。通过改变生长温度,生长了禁带宽度稍大的载流子限制阱和禁带宽度稍小的发光阱,研究了两类量子阱组合对含V形坑InG aN/GaN基蓝光LED效率衰减的影响。使用高分辨率X射线衍射仪和LED电致发光测试系统对LED外延结构和LED光电性能进行了表征。结果表明:限制阱靠近n层、发光阱靠近p层的新型量子阱结构,在室温75 A/cm~2时的外量子效率相对于其最高点仅衰减12.7%,明显优于其他量子阱结构的16.3%、16.0%、28.4%效率衰减,且只有这种结构在低温时(T≤150 K)未出现内量子效率随电流增大而剧烈衰减的现象。结果表明,合理的量子阱结构设计能够显著提高电子空穴在含V形坑量子阱中的有效交叠,促进载流子在阱间交互,提高载流子匹配度,抑制电子泄漏,从而减缓效率衰减、提升器件光电性能。