高光效大功率GaN-LED外延與芯片的優(yōu)化設計與制造技術研究.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)點而備受關注。作為白光LED基礎的大功率藍光GaN-LED，更是成為研究的熱點。GaN-LED光電器件的研究涉及材料、光學、電學、半導體物理等諸多學科，較為復雜，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步，但是其光效依然很低。GaN-LED芯片的效率由輻射復合效率，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、結構參數(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外延結構以提高輻射復合效率和電流注入效率；優(yōu)化LED電流擴展，降低正向電壓，以提高電流注入效率；優(yōu)化光學微結構以提高取光效率，制作了350mA下，藍光輸出功率達到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，其外延結構基于載流子擴散-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，計算載流子在LED芯片中的產生，遷移和復合。該模型是第二章和第三章的的基礎。通過該模型，從能帶結構、輻射復合速率、載流子分布和空穴/電子電流等方面詳細地分析了俄歇復合、極化效應、載流子泄露和溫度等對其內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構。
　　其次，為實現(xiàn)LED

4、電流均勻擴展，提高電流注入效率，降低LED驅動電壓，對LED芯片的電學性能進行了分析?；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、量子阱和電極結構等對LED電流擴展的影響。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。模擬結果在電極材料特性與電極圖案方面，為設計具有良好地電流擴展的LED芯片提供指導

5、。
　　第三，通過建立 LED芯片的光學模型，采用蒙特卡洛光線追跡法系統(tǒng)的分析了LED芯片的結構參數(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，需要制作光學微結構，打破光線在LED芯片內傳播的內反射，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，包括半導體材料和金屬電極材料。前者可以通過制作表面粗化結構、圖形化藍寶石襯底等技術實現(xiàn)，而且密集的微結構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合的LED外延結構實現(xiàn)較高的內量子效率，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致的取光效率下降的現(xiàn)象；通過圖形化藍寶石襯底和圖形化ITO結構來提高LED的取光效率，采用DBR減少對光的吸收