高光效大功率GaN-LED外延與芯片的優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究.pdf

1、發(fā)光二極管（LED）具有高效率、低能耗、長壽命、無污染、高可靠性等諸多優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。作為白光LED基礎(chǔ)的大功率藍(lán)光GaN-LED，更是成為研究的熱點(diǎn)。GaN-LED光電器件的研究涉及材料、光學(xué)、電學(xué)、半導(dǎo)體物理等諸多學(xué)科，較為復(fù)雜，使得制作高效率的LED芯片仍然面臨著諸多困難。雖然GaN-LED的研究取得了重要的進(jìn)步，但是其光效依然很低。GaN-LED芯片的效率由輻射復(fù)合效率，電流注入效率和取光效率組成，主要涉及LED芯片外延和芯片的

2、結(jié)構(gòu)參數(shù)與制造工藝。本文以制作高效率大功率GaN-LED為目的，通過建立LED電、熱、光模型，分析優(yōu)化LED外延結(jié)構(gòu)以提高輻射復(fù)合效率和電流注入效率；優(yōu)化LED電流擴(kuò)展，降低正向電壓，以提高電流注入效率；優(yōu)化光學(xué)微結(jié)構(gòu)以提高取光效率，制作了350mA下，藍(lán)光輸出功率達(dá)到485.7mW的大功率GaN-LED。
　　本文首先建立了GaN-LED芯片的三維電熱耦合模型，其外延結(jié)構(gòu)基于載流子擴(kuò)散-漂移理論，通過求解自洽泊松方程和載流子連續(xù)

3、性方程等，計(jì)算載流子在LED芯片中的產(chǎn)生，遷移和復(fù)合。該模型是第二章和第三章的的基礎(chǔ)。通過該模型，從能帶結(jié)構(gòu)、輻射復(fù)合速率、載流子分布和空穴/電子電流等方面詳細(xì)地分析了俄歇復(fù)合、極化效應(yīng)、載流子泄露和溫度等對其內(nèi)量子效率以及光電性能等參數(shù)的影響，以及對GaN-LED芯片中的效率下降（efficiency droop）的影響。為提高GaN-LED的量子效率并抑制其效率下降，提出了一種漸變壘層和阱層厚度的結(jié)構(gòu)。
　　其次，為實(shí)現(xiàn)LED

4、電流均勻擴(kuò)展，提高電流注入效率，降低LED驅(qū)動電壓，對LED芯片的電學(xué)性能進(jìn)行了分析?；诘诙滤⒌娜S電熱耦合模型，系統(tǒng)地分析了n-GaN和銦錫氧化物（ITO）的方塊電阻、溫度、量子阱和電極結(jié)構(gòu)等對LED電流擴(kuò)展的影響。ITO與n-GaN具有相等的方塊電阻時，GaN-LED有較均勻的電流擴(kuò)展。但是電流仍在焊盤處聚集，并隨著注入電流和溫度的增加而惡化。模擬結(jié)果在電極材料特性與電極圖案方面，為設(shè)計(jì)具有良好地電流擴(kuò)展的LED芯片提供指導(dǎo)

5、。
　　第三，通過建立 LED芯片的光學(xué)模型，采用蒙特卡洛光線追跡法系統(tǒng)的分析了LED芯片的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料屬性對其取光效率的影響。為提高取光效率，一方面，需要制作光學(xué)微結(jié)構(gòu)，打破光線在LED芯片內(nèi)傳播的內(nèi)反射，提高光子逸出LED的概率；另一方面，需要減少 LED材料與界面對光的吸收，包括半導(dǎo)體材料和金屬電極材料。前者可以通過制作表面粗化結(jié)構(gòu)、圖形化藍(lán)寶石襯底等技術(shù)實(shí)現(xiàn)，而且密集的微結(jié)構(gòu)更有利于提高取光效率。為減少金屬電極對光的吸收

6、，協(xié)同考慮對芯片藍(lán)光和封裝后白光的要求，優(yōu)化布拉格反射層（DBR）以減少對光的吸收。
　　第四，基于對LED的模擬優(yōu)化，制作了高效率大功率GaN-LED芯片。通過漸變的量子阱層和壘層相結(jié)合的LED外延結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)較高的內(nèi)量子效率，抑制效率下降；通過建立基于蒙特卡洛光線追跡方法的電光耦合模型，分析了反射型電流阻擋層對電流擁擠所導(dǎo)致的取光效率下降的現(xiàn)象；通過圖形化藍(lán)寶石襯底和圖形化ITO結(jié)構(gòu)來提高LED的取光效率，采用DBR減少對光的吸收