LED芯片DBR反射镜优化设计

讨论了反射镜反射率对LED光提取效率的影响,并基于芯片与封装协同设计的原理,针对蓝光和黄光波段,通过TFcalc膜系仿真软件设计和优化了分布式布拉格反射镜(DBR)膜系。仿真结果表明,单堆栈DBR结构最大反射带宽为134nm,而双堆栈DBR结构最大反射带宽可拓展至216nm。利用参考波长红移的方式,可以缓解DBR反射特性随入射角度增加而出现的反射谱线蓝移现象。金属增强型DBR结构能够减小反射偏振效应,提高反射带宽和平均反射率,并能够减小DBR厚度,从而显著改善芯片的散热性能。     

具有ITO/Ti3O5薄膜结构的高亮度AlGaInP LED

采用ITO/Ti_3O_5薄膜结构作为高亮度AlGaInP LED的电流扩展层、窗口层、电流阻挡层和增透膜层。通过在电极下形成肖特基结,避免电极下方无效电流注入,提高局域电流密度。通过ITO/Ti_3O_5增透膜设计提升LED的光提取效率。具有该ITO/Ti_3O_5薄膜结构的主波长621 nm的高亮度AlGaInP LED芯片(150μm×150μm)较传统结构芯片发光强度提升40%,20 mA注入电流下,电压均值在2.1 V左右。     

原子层沉积法制备高反射率的分布式布拉格反射镜

为提高GaN基发光二极管(LED)的发光强度,制备TiO₂/Al₂O₃分布式布拉格反射器(DBR)来提高其外量子效率是一种有效的方法。原子层沉积(ALD)法所制备的薄膜具有良好的均匀性,适合用来制备反射器材料。同时,TiN薄膜具有良好的类金属性质,且与TiO₂之间具有良好的粘附性,因此在DBR基础上再采用TiN反射层可以将反射率进一步提高。Matlab软件模拟结果表明,3~6周期厚的DBR,其反射率随厚度增加而提高。其中6周期DBR的反射率为95%,加上TiN薄膜后反射率可以得到进一步提高。实验结果与模拟结果吻合,6周期DBR+TiN结构的反射率达到99%。给带有该结构的LED注入50mA电流时,LED光输出功率(LOP)相对没有该结构的器件提升了约68.3%。     

LED电极结构优化设计与仿真计算

LED电极结构极大地影响着LED芯片的电流扩展能力,优化电极结构,能够缓解电流拥挤现象.讨论了正装LED结构和倒装LED结构的电流分布模型,并通过SimuLED软件研究了电极结构对LED电流扩展能力的影响.仿真结果表明:采用插指型电板结构极大提高了正装LED的电流扩展能力,电极下方插入电流阻挡层(CBL)后改变了芯片的电流分布状况,有利于光效的提升;而倒装LED的通孔式双层金属电极结构利用两层金属的互联作用,使n电极能够在整个芯片范围内均匀分布,进一步提高了电流扩展性能.     

脉冲Nd:YAG激光器选区晶化制备多晶硅薄膜

采用三倍频后的Nd:YAG固体脉冲激光系统(波长为355 nm)选区诱导晶化非晶硅薄膜,以制备多晶硅薄膜。分别测试了激光晶化前后薄膜的表面形貌和拉曼光谱。在文中分析了400 nm厚薄膜在激光扫描前后的表面形貌变化。拉曼光谱显示薄膜的晶化程度随着激光能量的增加而提高。最优的激光晶化能量密度与薄膜的厚度相关。对于300 nm和400 nm厚的非晶硅薄膜,有效晶化非晶硅的能量密度分别在440-634 mJ/cm²,777-993 mJ/cm²之间。在激光能量密度分别为634 mJ/cm²,975 mJ/cm²和1571 mJ/cm²时,300 nm、400 nm和500 nm厚薄膜达到最好的晶化效果。     

激光波长对非晶硅薄膜晶化效果的影响

为研究波长对连续激光晶化非晶硅(a-Si) 薄膜过程的影响,利用连续Ar＋-Kr＋激光对a-Si薄膜晶 化,在5ms固定照射时间下,改变激光波长,采用拉曼光谱测试技术和场发射扫描电子显微 镜(SEM)研究在不同 激光功率密度下薄膜晶化后的特性。结果表明,a-Si薄膜的晶化阈值随着波长的 增大而增大,当波长为 458nm时薄膜晶化阈值为13.2kW/cm²,波长 为647nm时,晶化阈值为19.2kW/cm²;在激光功率密度范 围为0～27.1kW/cm²内,薄膜的最大晶化率受波长的影响相对较小 ,但总体也随着波长的增大而呈增大 趋势,当波长为647nm时,在激光功率密度26.5kW/cm²处,晶化率达到最大值75.85%。     

基于DBR结构的蓝光及白光GaN LED的制备及光学性能改善

为改善GaN基发光二极管(LED)的光学性能，设计并制备了具有高反射率与宽反射带宽的SiO₂/Ti₃O₅分布式布拉格反射镜(DBR)结构的蓝光和白光GaN LED。制备了具有不同周期数的DBR结构，其中，17周期DBR结构在400～660 nm波长内平均反射率超过99.3%,其反射带宽度达到231 nm。测试并比较了封装后的基于DBR结构的LED芯片的电学与光学特性。通过电流-光输出功率(I-L)特性测试，发现具有17周期DBR结构的蓝光LED的光输出功率比5周期的提升了6.7%,而白光LED的光输出功率则提升了9.7%。在约100 mA的直流注入电流下，蓝光和白光LED的最大光输出功率分别达到134.9 mW和108.4 mW。     

具有ODR结构的高压倒装氮化镓基发光二极管

通过在传统ITO+DBR膜系结构基础上令电极金属与DBR层形成ODR(全角反射镜)膜系结构的方法,设计并制备了具有ODR结构的高压倒装氮化镓基发光二极管,有效提高了LED芯片的光效。ODR结构由DBR(分布布拉格反射镜)层上联接芯粒的电极金属和DBR层组成,经过理论分析和计算,与传统ITO+DBR结构器件相比,在400～550nm波长范围、全角度入射时平均反射率Rave从86.25%提升到了96.71%。实验制备了传统ITO+DBR结构和ODR结构的3颗芯粒串联的高压倒装氮化镓基LED器件,尺寸为0.2mm×0.66mm,ODR结构器件的有效反射结构面积增加了4.8%,饱和电流增加了12mA,用3030支架封装后在30mA的测试电流下,电压降低了0.163V,辐射功率提升了3.78%,在显色指数均为71时光效提升了5.42%。     

铝铜合金对LED芯片电极可靠性的影响

发光二极管(LED)芯片反射电极中铝的稳定性对芯片的可靠性至关重要,少量铜的加入可改善铝的耐电流性.理论计算了电子柬蒸镀沉积时,镀源和镀膜中铜质量分数的对应关系.对纯铝和不同铜质量分数的铝铜合金进行了金属线耐电流测试和薄膜反射率测试,并对纯铝或铝铜合金电极的LED芯片进行了老化测试.结果表明,相对于纯铝电极结构,铜质量分数为2％的铝铜合金电极在几乎不影响反射率的前提下,可显著提高电极的耐电流性能.以铝铜合金为电极的LED芯片在老化过程中,可有效阻止铝的电迁移,从而显著提升了LED芯片的可靠性.     

GaN基LED电流分布的模拟

采用Silvaco软件,利用二维有限元方法,仿真得到LED的电学等特性。比较3种不同尺寸的LED器件内的电流分布,得到电流密度与L的关系曲线,发现减小电流扩展长度L可提高电流的均匀性。模拟了5种不同电极结构的1 mm×1 mm功率LED,发现五插指电极结构的电流分布最均匀。     

高反射性电流阻挡层用于提高InGaN/GaN发光二极管的光输出功率

由SiO₂/TiO₂分布布拉格反射镜(DBR)和Al镜组成的混合式反射电流阻挡层用于提高InGaN/GaN发光二极管的光输出功率。混合式反射电流阻挡层不仅增强了电流扩展效应而且有效的将射向p金属电极的光子反射防止其对p电极焊点附近光子的吸收。实验结果表明,淀积在p-GaN上1.5个周期的SiO₂/TiO₂DBR和Al镜在455nm垂直入射时的反射率高达97.8%。在20mA的工作电流下,与没有电流阻挡层的发光二极管相比,生长1.5对SiO₂/TiO₂ DBR和Al镜作为电流阻挡层的发光二极管的光输出功率提高了12.5%,且光输出功率的分布更加均匀。     

Thermal stability of C-doped GaAs/AlAs DBR structures

Thermal stability of heavily carbon-doped and undoped DBRs has been investigated by reflectivity measurements and Raman spectroscopy. These analytical techniques are used to study the effect of heavy C-doping on Al–Ga interdiffusion during subsequent high-temperature anneals. Reflectivity spectra around the DBR stop-band wavelength clearly show that the growth-rate is reduced due to etching associated with the CBr₄ precursor used, but they also indicate that no Al–Ga interdiffusion that could significantly degrade the DBR performance takes place for any samples during annealing. The results are supported by Raman spectra, which indicate the positions of the LO and LOPC modes do not change when the DBRs are annealed, whether the DBRs are doped or not. Simulations of Al–Ga interdiffusion at GaAs/AlAs DBR interfaces indicates that intermixing up to ～15 nm on either side of each interface will not affect the reflectivity of the DBR stack significantly. The observed small changes in the stop-band central wavelength and peak reflectivity due to annealing is most likely a consequence of increased surface roughness resulted from annealing.     

金属光栅提高蓝光LED提取效率的研究

为了提高发光二极管(LED)的光提取效率，并比较不同光栅形状对LED光提取效率的影响，采用严格耦合波法优化了与矩形、等腰三角形、等腰梯形光栅分别集成的倒装LED，使它们出光面透射率达到最优，随后使用有限时域差分法模拟计算它们的光提取效率。经过模拟计算和理论分析可得3种不同结构LED最优光栅参量(光栅占空比f、光栅周期p、光栅厚度h)和过渡层厚度d分别是:f=0.35, p=150nm, h=80nm, d=190nm; f=0.45, p=175nm, h=80nm, d=190nm; f=0.7, p=150nm, h=80nm, d=190nm。结果表明，3种最优的LED结构在波长0.4μm~0.5μm范围内，矩形光栅倒装LED和等腰三角形光栅倒装LED出光面透射率相同，等腰梯形光栅倒装LED出光面透射率最低; 由于光透射率最低，导致等腰梯形光栅倒装LED光提取效率较低，最高仅为58.07%，但是由于等腰三角形光栅倒装LED特殊的光栅形状加上高的光透射率，其光提取效率可以达到77.75%。此研究可以为制备高光提取效率LED提供理论方法指导。     

Improvement in light-output efficiency of AlGaInP LEDs fabricated on stripe patterned epitaxy

Quaternary AlGaInP light-emitting diodes (LEDs) operating at a wavelength of 630 nm with a stripe-patterned omni-directional reflector (ODR) were fabricated. It is demonstrated that the geometrical shape of stripe-patterned structure improves the light extraction efficiency by increasing the extraction of guided light. The optical and electrical characteristics of stripe-patterned ODR LEDs are presented and compared to typical ODR and distributed Bragg reflector (DBR) LEDs with the same epitaxial structure and emitting wavelength. It is shown that the output power of the stripe-patterned ODR LED exceeds that of the typical ODR and DBR LEDs by a factor of 1.15 and 2 times, respectively, and with an acceptable forward voltage of about 2.2 V.     

High-power AlGaInN LED chips with two-level metallization

A high-power AlGaInN light-emitting flip-chip crystal with a new configuration of contact pads is developed and fabricated. The implementation of a two-level metallization scheme with a dielectric insulating interlayer significantly improves the active-to-total area ratio of the heterostructure (to 78%). Numerical simulation of the current spread, employed when developing the chip topology, makes it possible to achieve high uniformity of the current distribution over the active-region area and to obtain small values of the differential resistance of the chip (0.3 Ω). Light-emitting diodes with the maximum external quantum efficiency (60%) and output optical power (542 mW) at a working pump current of 350 mA are fabricated on the basis of crystals developed in the study.     

全反射镜结构对AlGaInP发光二极管发光效率的影响

采用计算机模拟的方法,计算了SiO2/Al,ITO/Al,SiO2/Au和ITO/Au全方位反射镜结构和分布式布拉格反射镜的反射特性.用PECVD和溅射设备制作了Glass/SiO2/Au结构,用LP-MOCVD生长了DBR结构,并测量了其反射特性,实验与模拟结果基本吻合.从模拟和实验的结果得到,SiO2/Au ODR结构在波长为630nm的垂直入射光下反射率很高,达到91%以上.对于不同角度的入射光,SiO2/Au在20°～85°都有很高的反射率,远高于DBR结构的反射率.在实际器件测试中,ODR结构的AlGaInP红光LED比无DBR结构的LED提高了115%,比DBR结构的LED提高了28%.这说明,ODR结构与DBR结构相比可以大幅提高红光LED的出光效率.     

透明导电ITO欧姆接触的AlGaInP薄膜发光二极管

提出了一种透明导电氧化铟锡(ITO)欧姆接触的AlGaInP薄膜发光二极管(LED)的结构和制作工艺.在这个结构里,ITO还作为窗口层材料,增强电流扩展,并应用了高反射率的金属作为反光镜.用Au-Sn合金(Au∶Sn＝8∶2,重量比)作为焊料,把带有金属反光镜的AlGaInP LED(RS-LED)外延片倒装键合到GaAs基板上,并去掉外延GaAs衬底,把被GaAs衬底吸收的光反射出去.与常规AlGaInP吸收衬底LEDs(AS-LED)和带有分布布拉格反光镜(DBR)的AlGaInP吸收衬底LEDs(DBR-AS-LED)电、光特性的比较,用透明导电ITO做欧姆接触的AlGaInP薄膜RS-LED结构能极大提高光输出功率和发光强度.正向电流20 mA时,RS-LED的光输出功率分别是AS-LED和DBR-AS-LED的2.4倍和1.7倍;RS-LED 20 mA下峰值波长624 nm的轴向光强达到了179.6 mcd,分别是AS-LED 20 mA下峰值波长627 nm和DBR-AS-LED 20 mA下峰值波长623 nm轴向光强的2.2倍和1.3倍.