提高LED的發(fā)光效率PPT課件

1、LED的發(fā)展概論 90年代，四遠(yuǎn)系A(chǔ)LGaInP/GaAs晶格匹配材料的使用，使得LED的發(fā)光效果提高幾十流明、瓦。美國惠普公司利用倒金字塔管芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的紅光LED發(fā)光效率達(dá)到100lm/W。 近年來，LED有了很大的突破。以致在過去幾年中，白光LED引起LED產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛重視，日本日亞公司利用藍(lán)光LED激發(fā)黃粉和紅粉得到白光LED，發(fā)光效率達(dá)到了60lm/W。第1頁/共28頁 美國Cree公司利用SiC襯底生長的GaN的白光LED發(fā)光效率達(dá)到了70lm/W。同時(shí)功力型白光LED的封裝也被廠商所重視，而美國的Lumileds公司的進(jìn)展最為迅速，他們已經(jīng)使用flip-chip工藝研制出了

2、4組1*1mm藍(lán)光芯片用黃粉封裝的LED燈，1400mA電流下的光通量達(dá)到了187lm.第2頁/共28頁優(yōu)化LED的意義 一：利用各種原理對(duì)LED進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能充分提高了芯片的出光效率，能夠?yàn)樯a(chǎn)提供一定的理論指導(dǎo)。 二：利用電極優(yōu)化或者光子晶體等來改善器件GaN LED電流的擴(kuò)展特性，提高電流分布的均勻性，減少電流的聚集效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)提高芯片的出光效率和轉(zhuǎn)化效率，提高器件的光電效應(yīng)，提升產(chǎn)品的性能。第3頁/共28頁 三:優(yōu)化LED可以提高光輸出強(qiáng)度，使資源的利用率更高。第4頁/共28頁優(yōu)化LED的原理 一：基本概念：LED在理想情況下，每注入一個(gè)電子便會(huì)發(fā)出一個(gè)光子，但在實(shí)際情況下，第由于內(nèi)部

3、損耗造成，注入的電子并不能全部轉(zhuǎn)化為光子，而產(chǎn)生的光子也不能全部從LED中射出，這便引出一個(gè)量子效率的問題。注入有源層的電子并不一定全部用來產(chǎn)生的光子，于是產(chǎn)生了內(nèi)量子效率(Internal quantum efficiency)，通常定義為從LED有源層產(chǎn)生的光子數(shù)與LED的注入電子數(shù)的比值，其表達(dá)式可以用式1-1表示。第5頁/共28頁 其中Pint。表示有源層產(chǎn)生的光功率，而，表示注入電流。有源層產(chǎn)生的光子在理想情況下，將全部射向自由空間，但由于存在內(nèi)部Fresnel反射以及重吸收作用(如電極和襯底)，使得產(chǎn)生的光并不能全部射出，這時(shí)所產(chǎn)生的效率為提取效率(Extraction effic

4、iency)，定義式為(1-2)。第6頁/共28頁 P表示射向自由空間的光功率。提取效率通常是LED出光效率最大的限制。外量子效率則定義為射向自由空間的光子數(shù)與注入的電子數(shù)的比值。即內(nèi)量子效率和提取效率的乘積，定義式為(1-3)。第7頁/共28頁另外通常所說的出光效率(Powerefficiency,WaUplug efficiency)定義為： 目前，由于MOCVD外延生長技術(shù)和多量子阱結(jié)構(gòu)(MQW)的引入，使LED的內(nèi)量子超過80，提高的空間不大，反而在提取效率方面，主要由于內(nèi)部反射的原因，提取效率一直非常低，成為遏制外量子效率不能提高的主要原因，下面就重點(diǎn)闡述導(dǎo)致提取效率低下的主要原因，

5、以及目前國內(nèi)外的一些改善方法。第8頁/共28頁目前LED優(yōu)化設(shè)計(jì)取得的成果 一：LED形狀的設(shè)計(jì)在芯片形狀設(shè)計(jì)上，科研人員設(shè)計(jì)了各式各樣的形狀以提高出光，最為典型的是長方體形和圓柱形，如圖1-1所示。第9頁/共28頁近年來，Krames科研小組在芯片形狀設(shè)計(jì)上突破性地提出了倒金字塔形結(jié)構(gòu)(如圖12所示)。它是在透明襯底LED基礎(chǔ)上的再次加工。將bonding后的LED晶片倒置，切去四個(gè)方向的下角，斜面與垂直方向的夾角為35圖中b，d是橫截面的示意圖，它演示了光出射的路徑。LED的這種幾何外形可以使內(nèi)部反射的光從側(cè)壁的內(nèi)表面再次傳播到上表面，而以小于l臨界角的角度出射。同時(shí)使那些傳播到上表面大于

6、臨界角的光重新從側(cè)面出射。這兩種過程能同時(shí)減小光在內(nèi)部傳播的路程。文獻(xiàn)報(bào)道采用這種結(jié)構(gòu)可以將提取效率提高14倍，外量子效率達(dá)到55(=650nm)。第10頁/共28頁第11頁/共28頁最近Nakamura等人利用n-ZnO的高透光率和在鹽酸中的選擇腐蝕性，將水熱法合成的n-ZnO與MOCVD方法制成的p-GaN在高溫下單軸壓力驅(qū)使下鍵合在一起制成，然后利用n-ZnO在鹽酸中的選擇腐蝕性，腐蝕出(10-11)面，制成如圖13所示具有六棱錐形狀芯片，結(jié)果顯示在20mA下，輸出功率能比普通芯片提高22倍。第12頁/共28頁第13頁/共28頁 二：表面粗化降低LED內(nèi)部光反射的一個(gè)行之有效的方法就是在

7、LED表面進(jìn)行粗化減少內(nèi)反射，從而提高出光，如圖1-4所示，早在1993年Schnitzer等人在GaAs基LED芯片表面進(jìn)行粗化，提出表面微小的粗化可以導(dǎo)致光線運(yùn)動(dòng)紊亂，從而就有更多的光線滿足逃逸角。第14頁/共28頁第15頁/共28頁第16頁/共28頁 此后，人們采用各種方法對(duì)LED表面進(jìn)行粗化。Windisch等人采用干法光刻技術(shù)粗化LED的表面。HungWen Huang等人就利用KrF準(zhǔn)分子激光刻蝕對(duì)上表面p-GaN進(jìn)行粗化，亮度提高125倍。Chul Huh等人利用金屬叢(MetalClusters)掩膜濕法腐蝕技術(shù)，粗化LED的P型層，將光轉(zhuǎn)換效率提高了62。但是有人認(rèn)為P型層很

8、薄，濕法粗化難以控制，干法粗化又容易破壞其電學(xué)性能041，因此粗化P型層并非最佳選擇。第17頁/共28頁 wCPeng等人在芯片的下表面非摻雜GaN層采用100的45的NaOH進(jìn)行濕法粗化，粗化1min后表面如圖15所示，形成一些錐形表面，實(shí)驗(yàn)證明在芯片下表面的非摻雜GaN進(jìn)行粗化，將使上下表面的光都有所提高，結(jié)果表明上表面出光提高73，下表面出光提高53，緊接著他們都對(duì)LED芯片進(jìn)行上下表面的雙面粗化，在20mA電流條件下，上下表面光強(qiáng)分別提高277和273倍，如圖1-6所示第18頁/共28頁第19頁/共28頁 三：電流擴(kuò)散 發(fā)光二極管的上電極對(duì)光輸出影響很大，特別是電流較集中于電極下方的器

9、件。Hyunsoo Kim等人比較了不同電極大小對(duì)出光的影響(如圖1-7所示) ，發(fā)現(xiàn)電極對(duì)出光有很大的阻礙。頂層即電流擴(kuò)散層有效地把注入器件的電流擴(kuò)展開來是有效解決電極阻擋的方法之一(如圖1-8所示) 第20頁/共28頁第21頁/共28頁第22頁/共28頁 采用MOCVD設(shè)備一次完成器件結(jié)構(gòu)的材料生長，生長出幾十個(gè)微米厚的電流擴(kuò)散層是不現(xiàn)實(shí)的，一般只生長幾個(gè)微米到十幾個(gè)微米厚。這樣，只能提高材料的P型的摻雜濃度，降低材料的電阻率，有效地?cái)U(kuò)展注入電流，減小上電極對(duì)光輸出的影響，實(shí)現(xiàn)器件的高亮度發(fā)光。如在A1GalnP發(fā)光器件中加入高摻雜p-GaP層。其次可以改變電極形狀來改善電流擴(kuò)散以提高出光(如圖l-9)。第23頁/共28頁第24頁/共28頁 對(duì)于優(yōu)化LED，還可以通過光子晶體，光學(xué)增透膜，襯底剝離技術(shù)，倒裝芯片技術(shù)等，這里就不繼續(xù)鰲述了。第25頁/共28頁未來展望 一：能夠清楚了解LED的優(yōu)化設(shè)計(jì)原理，更好的實(shí)現(xiàn)改變LED的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來提高LED的出光效率； 二：要充分考慮側(cè)面的出光效率，提高內(nèi)量子的效率； 三：熟悉光學(xué)軟件