高亮度GaN基藍(lán)光LED的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、發(fā)光二級(jí)管(Light-Emitting Diodes，LEDs)由于具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，符合低碳節(jié)能環(huán)保的要求，已廣泛用于顯示、照明和光通信等領(lǐng)域。隨著固態(tài)照明技術(shù)的不斷發(fā)展，LED被認(rèn)為是最有可能進(jìn)入普通照明領(lǐng)域的一種綠色光源。然而，LED作為照明光源還存在一些不足:一方面由于高亮度照明的需求，LED的發(fā)光效率相對(duì)于預(yù)期值還比較低，需要進(jìn)一步的提高;另一方面由于照明要求的差異，LED光源本身的光場(chǎng)分布還不能滿足照明設(shè)計(jì)的要

2、求，需要進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)。因此，如何提高LED的發(fā)光效率，并將LED發(fā)出的光進(jìn)行合理、有效和充分的利用成為當(dāng)前固態(tài)照明領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。
　　本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.提出并制備了一種新型的圖形化SiO2/Si襯底結(jié)構(gòu)，它是由半球狀的SiO2陣列和Si襯底兩部分組成的。這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)有:1）在外延生長(zhǎng)過程中，半球狀的SiO2陣列可以向四周釋放應(yīng)力，從而大大降低了Si襯底外延的位錯(cuò)密度;2）半球狀的SiO2陣列

3、相當(dāng)于提供了一系列新的光學(xué)反射面，進(jìn)而減少了全內(nèi)反射(Total InternalReflection，TIR)，同時(shí)也減少了Si襯底對(duì)藍(lán)光的吸收。之后，我們又提出了一種新型的圖形化SiO2/Al2O3/Si襯底，其中半球狀SiO2陣列的作用與上述相似，不同的是這種襯底的成核面為Al2O3薄膜，從而進(jìn)一步降低了位錯(cuò)密度。本研究通過對(duì)襯底光學(xué)特性的仿真，膠回流與電感耦合等離子體(Inductively Coupled Plasma, IC

4、P)刻蝕工藝的優(yōu)化，LED外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)和測(cè)試等方法初步分析了這種新型圖形化襯底的性能與特點(diǎn)。
　　2.提出并制備了一種新型ALD-TiO2/Al2O3DBR+Metallic Mirror背鍍結(jié)構(gòu)，它是由使用原子層沉積(Atomic Layer Deposition, ALD)方法制備的TiO2/Al2O3 DBR(Distributed Bragg Reflector)和金屬反射鏡(Metallic Mirror)兩部分組成的

5、。這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)有:1）使用ALD方法制備的DBR具有優(yōu)良的薄膜厚度均勻性和覆蓋性，并且能對(duì)每一層的厚度進(jìn)行精確的控制;2）由于Al2O3薄膜和金屬反射鏡之間有良好的粘合性，不需要增加粘合層，簡(jiǎn)化了制備工藝并且增加了器件穩(wěn)定性:3）可以實(shí)現(xiàn)高反射率，并且降低了反射率對(duì)角度和波長(zhǎng)的依賴性。本研究通過對(duì)反射率的模擬與測(cè)量、芯片光電特性的表征、封裝以及老化性能的測(cè)試等方法全面系統(tǒng)地分析了這種新型背鍍結(jié)構(gòu)的性能與特點(diǎn)。
　　3.提出并

6、制備了一種新型圖形化SiO2/Al2O3鈍化層結(jié)構(gòu)，它是由半球狀的SiO2陣列和使用ALD方法制備的Al2O3薄膜兩部分組成的。這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)有:1）由于Al2O3和SiO2可以進(jìn)行選擇性刻蝕，刻蝕SiO2的氟基會(huì)終止在Al2O3表面，這樣就可以避免透明導(dǎo)電層(Transparent Conductive Layer，TCL)被損傷，進(jìn)而不會(huì)影響其電流分布;2) Al2O3薄膜的折射率介于透明導(dǎo)電層和SiO2之間，形成梯度折射率，從

7、而有效提高了LED的光提取效率(Light Extraction Efficiency，LEE);3）半球狀的SiO2陣列，不但可以增加光線的出射角，使更多光線滿足出射條件，而且還可以在一定程度上改變光場(chǎng)的分布，以滿足實(shí)際照明的要求;4）Al2O3薄膜具有良好的熱穩(wěn)定性和優(yōu)異的化學(xué)鈍化特性，且其黏附性好、致密度高和均勻性好，可為L(zhǎng)ED芯片提供良好的表面鈍化效果。之后，我們又提出了一種同時(shí)具有新型圖形化SiO2/Al2O3鈍化層和ALD-

8、TiO2/Al2O3DBR背鍍結(jié)構(gòu)的LED，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種LED不但具有良好的表面鈍化效果，而且光提取效率也得到很大幅度的提升。本研究通過圖形形貌的對(duì)比、芯片光電特性的對(duì)比、封裝以及老化性能的測(cè)試等手段完整地分析了這種新型鈍化層結(jié)構(gòu)的性能和特點(diǎn)。
　　4.提出并優(yōu)化了一種新型的具有可調(diào)控截?cái)鄶嗝娴墓庾泳w平板透鏡，它是由三角晶格排列的空氣孔型光子晶體(Photonic Crystal，PC)和兩個(gè)可調(diào)控的截?cái)鄶嗝娼M成的。這種結(jié)

9、構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)有:1）與常規(guī)的需要在兩側(cè)制備新的抗反射結(jié)構(gòu)的光子晶體平板透鏡相比，在一定程度上簡(jiǎn)化了制作工藝，降低了制作成本;2）通過調(diào)整光子晶體平板透鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)或光源的相對(duì)位置，就可以改變光線的路徑，對(duì)光線進(jìn)行匯聚或發(fā)散，進(jìn)而調(diào)控光場(chǎng)分布。本研究通過對(duì)光子晶體平板透鏡光學(xué)特性的分析，提出了在芯片層級(jí)上整合LED的二次光學(xué)和一次光學(xué)的想法，直接把尺寸相當(dāng)?shù)墓庾泳w平板透鏡和LED芯片制作或封裝在一起，這樣能更好地利用光子晶體獨(dú)特的材料結(jié)