發(fā)布時間：2020-04-01 23:23

【摘要】：被稱為第四代照明光源的半導體發(fā)光二極管(Light Emitting Diodes,LED),具有節(jié)能環(huán)保、使用壽命長,發(fā)光效率高等特點,是電光源發(fā)展史上的一次重大突破。LED芯片作為LED光源的核心,芯片的質量好壞決定了光源的性能、應用和壽命,因此在廣泛使用第三代寬禁帶半導體材料,且內(nèi)量子效率達到高水平的情況下,如何提升光提取效率是推進LED芯片技術發(fā)展的關鍵一步。本文主要進行了電流阻擋層(Current Blocking Layer,CBL)提升大功率LED光提取效率的原理及制備工藝的研究,設計制備了CBL大功率LED器件,對有無CBL結構的LED進行光電熱特性測試及可靠性分析。本論文是在國家重點研發(fā)計劃(課題編號2017YFB0403100,2017YFB0403102)的支持下完成的,主要研究內(nèi)容如下:(1)設計了CBL大功率LED器件和制備版圖,對制備器件的關鍵工藝進行了優(yōu)化,研究了使用不同掩膜材料對ICP刻蝕的影響,實驗優(yōu)化了ITO濺射和退火條件,對比了ITO的腐蝕和剝離工藝。通過優(yōu)化后的工藝條件制備了有無CBL結構的兩種大功率LED芯片,并在350mA下測試裸芯的光電性能。(2)封裝有無CBL結構的大功率LED,并測試變電流的光電特性。兩種樣品各隨機選取4支,首先對器件進行了溫度25℃,工作電流350mA下的光電參數(shù)測試。其次對兩種器件進行了變電流光電參數(shù)測試,分析了CBL結構在變電流條件下對器件光功率及光效的改善效果,以及CBL結構對器件光譜和顯色性能的影響,分析了插入CBL結構對器件電壓的影響。(3)對兩種樣品進行變溫度的光電參數(shù)測試及熱特性測試。分析了兩種器件的光功率隨溫度的變化,并對兩種樣品的色溫隨溫度的變化進行分析,研究了有CBL結構的LED色溫更低的原因;分析了兩種LED的半寬和峰值波長的變化,對器件正向電壓隨溫度的變化進行分析。最后對兩種器件進行了結溫熱阻測試,研究了CBL結構對器件熱特性的影響。(4)對兩種器件進行溫度過應力加速老化實驗。選取兩種樣品各5支,設定溫度應力為85℃,驅動電流為350mA。分析了兩種器件的光電參數(shù)隨老化時間的變化,結合器件外貌和顯微鏡下的芯片形貌分析了LED芯片的失效機理。
【圖文】：

圖 1-1 LED 及其他光源發(fā)光效率的發(fā)展進程1 luminous efficiency Development of LED and other light source本原理能直接轉換為光能的電致發(fā)光器件，其物理本質是 P物半導體材料如 GaAs，GaN，GaP 等制備而成。其發(fā)N 結處于平衡時勢壘高度是一定的，施加正向電壓后電場相應減弱，載流子的擴散能力增強，PN 結內(nèi)處遷，發(fā)生電子空穴的輻射復合并發(fā)射出光子。系統(tǒng)處要前提，通過激發(fā)使非平衡載流子復合才能發(fā)光[20]。

通常由Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料如 GaAs，GaN，GaP 等制備而成。其發(fā)光機理如圖1-2 所示，，當 PN 結處于平衡時勢壘高度是一定的，施加正向電壓后 PN 結內(nèi)部勢壘降低，內(nèi)建電場相應減弱，載流子的擴散能力增強，PN 結內(nèi)處于激發(fā)態(tài)的電子向低能級躍遷，發(fā)生電子空穴的輻射復合并發(fā)射出光子。系統(tǒng)處于非平衡態(tài)是光子發(fā)射的主要前提，通過激發(fā)使非平衡載流子復合才能發(fā)光[20]。(a) (b)圖 1-2 (a)平衡 PN 結能帶圖 (b)正向偏置下 PN 結能帶圖[20]Fig1-2 (a) Balanced PN junction band diagram (b) PN junction band diagram underforward bias[20]由同一材料制備而成的發(fā)光二極管只能發(fā)射單色光，如用 GaAs 材料制備紅光 LED，GaN 材料制備藍光 LED 等。并且 LED 發(fā)光波長 λ 由有源區(qū)的禁帶寬度 Eg 決定[21]，由公式(1-1)可得出：1240qhcEg Eg （1-1）1.3 提高 LED 光提取效率的研究與現(xiàn)狀LED 芯片的內(nèi)量子效率和光提取效率決定了芯片的外量子效率
【學位授予單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN312.8

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本文編號：2611098