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.     

影响倒装焊LED芯片电流分布均匀性的因素分析

为研究影响倒装LED芯片电流密度均匀分布的因素, 建立了芯片的三维有限元电学模型, 采用COMSOL有限元仿真方法, 分析了芯片尺寸、电极结构、电流注入点对倒装LED芯片电流分布均匀性的影响, 并对相关机理进行了探讨. 研究结果表明, 芯片尺寸的增加扩展了电流的横向传输路径与横向电阻, 使LED芯片电流分布的不均匀性呈指数型恶化; 叉指式电极结构可有效缩短电流传输途径, 增加叉指电极数目有利于电流均匀性的提高; 通过在块状电极上合理设计电流注入点可缩短电流传输路径, 显著提高电流的均匀性.     

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。     

AlGaInP大功率发光二极管发光效率与结温的关系

目前,AlGaInP大功率发光二极管(LED)存在的主要问题是大电流工作时发热严重,主要是由于电流扩展不均匀、出光面电极对光子的阻挡和吸收以及器件材料与空气折射率之间的差距引起的全反射现象,这些因素造成大功率LED出光受到限制、发光效率低、亮度不高.提出了一种复合电流扩展层和复合分布式布拉格反射层(DBR)的新型结构LED,使得注入电流在有源区充分地扩散,同时提高了常规单DBR对光子的反射率.结果显示,这种新型结构LED比常规结构LED的性能得到了很大的提升,350 mA注入电流下两者的输出光功率分别为4 关键词： 复合电流扩展层 复合分布式布拉格反射层 出光效率 结温     

PVK空穴传输层对Ndq3近红外发光二极管性能的影响

以PEDOT∶PSS作为空穴注入层,聚合物PVK作为空穴传输层,制备了结构为ITO/PEDOT∶PSS/PVK/8-羟基喹啉钕(Ndq3)/Al的近红外OLED,研究了PVK与PEDOT∶PSS功能层对器件I-V特性和EL光谱的影响。结果显示,在EL光谱中的905,1 064,1 340 nm处均观察到了荧光发射,分别对应于Nd3+的4F3/2→4I9/2、4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2能级跃迁。与参考器件对比分析认为,PEDOT∶PSS高的导电性降低了器件的串联电阻,增大了器件的工作电流;PVK与PEDOT∶PSS共同降低了空穴的注入势垒,实现了Ndq3发光层区域的载流子的注入平衡并改善了器件的发射强度。此外,PVK有效降低了ITO电极表面粗糙度,也是器件性能提高的原因之一。     

近紫外LED封装器件的热稳定性及可靠性

紫外发光二极管(紫外LED)已经在许多超越照明领域展示出了特殊的应用优势,例如健康医疗、消毒杀菌、环保及传感等领域。本文采用仿真和实验相结合的方法研究了具有不同封装结构的近紫外LED封装器件的热稳定性,并对其进行了高温老化可靠性测试评估。研究结果表明:LED器件的辐射功率和正向电压随温度的升高而下降,其中,具有倒装结构的器件下降趋势明显小于正装结构,这表明其热稳定性较好;经过55℃恒温额定电流条件下的可靠性测试发现具有倒装结构的器件光-色特性衰减速率小于正装器件。通过本文研究可以得出结论:具有低热阻、小尺寸等优点的的倒装封装结构有助于提高近紫外LED器件的光-热稳定性和可靠性。     

GaN基薄膜LED倒装芯片表面结构设计及光萃取效率研究

利用FDTD方法研究具有表面微纳结构氮化镓基倒装薄膜LED芯片的光萃取效率。通过优化表面结构并研究了器件的光萃取效率随p-Ga N层厚的变化。研究发现,具有表面光子晶体和六棱锥结构的器件的光萃取效率最大值比无表面微结构器件分别提高了56%和97%。尽管两种表面结构都能有效提高器件的光萃取效率,然而采用光子晶体的方案对p-Ga N厚度和腔长要求极为苛刻。采用六棱锥结构则不仅可以获得更高的光萃取效率,并且还将大大降低实验上材料外延生长及器件制备的难度。     

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     

电极形状对GaN基发光二极管芯片性能的影响

采用Crosslight APSYS这一行业专业软件对p-GaN,InGaN/InGaN多量子阱,n-GaN和蓝宝石的芯片结构研究了不同电极形状与器件的光电性能之间的关系.优化设计了普通指形电极、对称型指形电极、h形指形电极、旋转形电极、中心环绕形电极、树形电极等6种电极结构.通过电极优化设计,电流分布更加均匀,减小了电流的聚集效应.优化后的电极结构结果表明:芯片的电特性得到了提高,芯片的光特性得到了明显改善,芯片的出光效率大幅度提高,芯片的转化效率得到了提升.     

用于POF的高性能共振腔发光二极管

提出用AlGaAs材料为n型下DBR,AlGaInP材料为p型上DBR,GaInP/AlGaInP多量子阱为有源区来制备650nm波长的共振腔发光二极管（RCLED）.用传输矩阵法对器件的结构进行了理论设计,并制备了RCLED和普通LED两种结构.测试结果表明,RCLED有更高的发光效率,是普通LED的近1.3倍,当注入电流从3mA增加到30mA时,RCLED的峰值波长只变化了1nm,而普通LED的波长则变化了7nm,且RCLED的光谱半宽窄,远场发散角小. 关键词： 发光二极管 共振腔 金属有机物化学气相淀积     

Analysis of junction temperatures for groups III–V semiconductor materials of light-emitting diodes

This study utilizes the Shockly equation and Fourier’s law with the optical, electrical and thermal properties of LEDs to predict the variation of the junction temperature with the injection current. It is shown that the relationship of the junction temperature with the injection current can be determined by the effective thermal conductivity, temperature coefficient of junction voltage, series resistance, integral constant (forward voltage at the initial forward current and junction temperature), ambient temperature and external quantum efficiency. The effective thermal conductivity, temperature coefficient of junction voltage, and series resistance are calculated from the material properties based on the structures of LEDs instead of measurements in this study. The junction temperature of AlGaInP/GaInP MQW red LED predicted from this study agrees with the available experimental data and the junction temperatures of GaInN UV LED and AlGaN UV LED calculated by this work are also consistent with these obtained from the emission peak shift method. The elevated temperatures of AlGaN and GaInN are larger than that of AlGaInP/GaInP MQW red LED due to the difference of the thermal conductivity for the LED substrate. This study also presents the effects of the parameters on the variation of the junction temperature with the injection current. The effective thermal conductivity and ambient temperature significantly affect the junction temperature of LEDs.     

新型全方位反射铝镓铟磷薄膜发光二极管

提出了一种新型全方位反射铝镓铟磷(AlGaInP)薄膜发光二极管(LED)的结构和制作工艺，在这个结构里应用了低折射率的介质和高反射率的金属联合作为反光镜.用金锡合金(80Au20Sn，重量比)作为焊料把带有反光镜的AlGaInP LED外延片倒装键合到GaAs基板上(RS-LED)，去掉外延片GaAs衬底，把被GaAS衬底吸收的光反射出去.通过与常规AlGaInP 吸收衬底LEDs(AS-LED)和带有DBR的AlGaInP 吸收衬底LEDs(AS-LED(DBR))电、光特性的比较，证明新型全方位反射AlGaInP薄膜LED结构能极大提高亮度和效率.正向电流20mA时，RS-LED的光输出功率和流明效率分别是AS-LED的3.2倍和2.2倍，是AS-LED(DBR)的2倍和1.5倍.RS-LED(20mA下峰值波长627nm)的轴向光强达到194.3mcd，是AS-LED(20mA下峰值波长624nm)轴向光强的2.8倍，是AS-LED(DBR)(20mA下峰值波长623nm)轴向光强的1.6倍. 关键词： 铝镓铟磷 薄膜发光管 全方位反射镜 发光强度     

不同表面结构的半导体发光二极管的效率与寿命的研究

对GaAs基AlGaInP系半导体发光二极管（light emitting diode,LED）提取效率低导致器件发热而寿命缩短等问题进行了分析,提出了一种新型表面结构的LED,在与普通LED相同的外延生长条件下,通过后工艺引入了表面图形并腐蚀出凹凸不平的表面以改变光子传输方向,同时制备了导电光增透层,既增强了电流的扩展同时使得更多的光子能够发射到体外,在相同的注入电流下,新型表面增透结构LED的轴向光强平均是普通LED的15倍,由于光提取效率高,更多的光子能够发射到体外,发热减少,饱和电流更高,达到1 关键词： 表面增透结构 轴向光强 光效 寿命     

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。     

Red-enhanced white light-emitting diodes using external AlGaInP epilayers with various aperture ratios

A novel hybrid white light-emitting diode (LED) is proposed to enhance the red color and stability of the chromaticity under various operating currents using an AlGaInP photon-recycling (PR) epilayer. A blue/yellow white InGaN LED sample is covered with an external patterned AlGaInP epilayer. Under an optimum aperture ratio of 30%, the luminous efficiency of the PR-LED lamp can achieve a color coordinate of (x=0.340, y=0.295). When the injection current increases from 50 to 350 mA, the color temperature decreases from 4030 to 3700 K and the color rendering index increases from 81 to 86. These could be due to the fact that the AlGaInP epilayer was not attached onto the LED chip, alleviating the thermal effect on the color coordinate. The present white PR-LED samples have high potential for portable liquid-crystal-display backlight applications.     

Reduction of surface defects on the GaP window layer of 630 nm AlGaInP LED using post-Zn diffusion process

We have investigated the characteristics of the surface of the GaP window layer of 630 nm AlGaInP LED, which was improved by post-Zn diffusion process. The measured resistance and the amount of hole concentration of the post-Zn-diffused GaP window layer have remarkably decreased and increased, respectively. Moreover, the ECV system showed that the amount of doping concentrations on the surface of the GaP window layer was significantly increased because of the diffusion of Zn atoms. The amount of surface defects observed on the post-Zn-diffused GaP window layer was also reduced. Furthermore, it was found out that the efficiency of 630 nm AlGaInP LED chip was increased due to the surface improvement of the GaP window layer. At an injection current of 40 mA, the LED chip with a Zn diffusion layer obtained a higher output power of 11 mW compared to the 7.5 mW output of the conventional LED chip.     

High power and high reliability GaN/InGaN flip-chip light-emitting diodes

High-power and high-reliability GaN/InGaN flip-chip light-emitting diodes (FCLEDs) have been demonstrated by employing a flip-chip design, and its fabrication process is developed. FCLED is composed of a LED die and a submount which is integrated with circuits to protect the LED from electrostatic discharge (ESD) damage. The LED die is flip-chip soldered to the submount, and light is extracted through the transparent sapphire substrate instead of an absorbing Ni/Au contact layer as in conventional GaN/InGaN LED epitaxial designs. The optical and electrical characteristics of the FCLED are presented. According to ESD IEC61000-4-2 standard (human body model), the FCLEDs tolerated at least 10\,kV ESD shock have ten times more capacity than conventional GaN/InGaN LEDs. It is shown that the light output from the FCLEDs at forward current 350mA with a forward voltage of 3.3\,V is 144.68\,mW, and 236.59\,mW at 1.0\,A of forward current. With employing an optimized contact scheme the FCLEDs can easily operate up to 1.0\,A without significant power degradation or failure. The life test of FCLEDs is performed at forward current of 200\,mA at room temperature. The degradation of the light output power is no more than 9\% after 1010.75\,h of life test, indicating the excellent reliability. FCLEDs can be used in practice where high power and high reliability are necessary, and allow designs with a reduced number of LEDs.     

InGaN蓝光与CdTe纳米晶基白光LED

报道了倒装焊InGaN蓝光LED与黄光CdTe纳米晶的复合结构。利用蓝光作为CdTe纳米晶的激发源,通过光的下转换机制,将部分蓝光转化为黄光,复合发射出白光。室温下正向驱动电流为10mA时,发光色品坐标为x=0.29,y=0.30。实验表明,该复合结构白光LED的一大优点在于,复合光的色品坐标几乎不随正向驱动电流大小变化,颜色稳定。