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)計的紅光LED發(fā)光效率達到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光LED激發(fā)黃粉和紅粉得到白光LED，發(fā)光效率達到了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)光效率達到了70lm/W。同時功力型白光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藍光芯片用黃粉封裝的LED燈，1400mA電流下的光通量達到了187lm.第2頁/共28頁優(yōu)化LED的意義 一：利用各種原理對LED進行優(yōu)化設(shè)計，能充分提高了芯片的出光效率，能夠為生產(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電流的擴展特性，提高電流分布的均勻性，減少電流的聚集效應(yīng)，實現(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，每注入一個電子便會發(fā)出一個光子，但在實際情況下，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)計取得的成果 一：LED形狀的設(shè)計在芯片形狀設(shè)計上，科研人員設(shè)計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。這兩種過程能同時減小光在內(nèi)部傳播的路程。文獻報道采用這種結(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)部光反射的一個行之有效的方法就是在

7、LED表面進行粗化減少內(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芯片表面進行粗化，提出表面微小的粗化可以導(dǎo)致光線運動紊亂，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LED表面進行粗化。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準分子激光刻蝕對上表面p-GaN進行粗化，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，實驗證明在芯片下表面的非摻雜GaN進行粗化，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LED芯片進行上下表面的雙面粗化，在20mA電流條件下，上下表面光強分別提高277和273倍，如圖1-6所示第18頁/共28頁第19頁/共28頁 三：電流擴散 發(fā)光二極管的上電極對光輸出影響很大，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出光的影響(如圖1-7所示) ，發(fā)現(xiàn)電極對出光有很大的阻礙。頂層即電流擴散層有效地把注入器件的電流擴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，生長出幾十個微米厚的電流擴散層是不現(xiàn)實的，一般只生長幾個微米到十幾個微米厚。這樣，只能提高材料的P型的摻雜濃度，降低材料的電阻率，有效地擴展注入電流，減小上電極對光輸出的影響，實現(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散以提高出光(如圖l-9)。第23頁/共28頁第24頁/共28頁 對于優(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)計原理，更好的實現(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