【摘要】：被稱為第四代照明光源的半導(dǎo)體發(fā)光二極管(Light Emitting Diodes,LED),具有節(jié)能環(huán)保、使用壽命長(zhǎng),發(fā)光效率高等特點(diǎn),是電光源發(fā)展史上的一次重大突破。LED芯片作為L(zhǎng)ED光源的核心,芯片的質(zhì)量好壞決定了光源的性能、應(yīng)用和壽命,因此在廣泛使用第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料,且內(nèi)量子效率達(dá)到高水平的情況下,如何提升光提取效率是推進(jìn)LED芯片技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵一步。本文主要進(jìn)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(shè)計(jì)制備了CBL大功率LED器件,對(duì)有無(wú)CBL結(jié)構(gòu)的LED進(jìn)行光電熱特性測(cè)試及可靠性分析。本論文是在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(課題編號(hào)2017YFB0403100,2017YFB0403102)的支持下完成的,主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)設(shè)計(jì)了CBL大功率LED器件和制備版圖,對(duì)制備器件的關(guān)鍵工藝進(jìn)行了優(yōu)化,研究了使用不同掩膜材料對(duì)ICP刻蝕的影響,實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了ITO濺射和退火條件,對(duì)比了ITO的腐蝕和剝離工藝。通過(guò)優(yōu)化后的工藝條件制備了有無(wú)CBL結(jié)構(gòu)的兩種大功率LED芯片,并在350mA下測(cè)試裸芯的光電性能。(2)封裝有無(wú)CBL結(jié)構(gòu)的大功率LED,并測(cè)試變電流的光電特性。兩種樣品各隨機(jī)選取4支,首先對(duì)器件進(jìn)行了溫度25℃,工作電流350mA下的光電參數(shù)測(cè)試。其次對(duì)兩種器件進(jìn)行了變電流光電參數(shù)測(cè)試,分析了CBL結(jié)構(gòu)在變電流條件下對(duì)器件光功率及光效的改善效果,以及CBL結(jié)構(gòu)對(duì)器件光譜和顯色性能的影響,分析了插入CBL結(jié)構(gòu)對(duì)器件電壓的影響。(3)對(duì)兩種樣品進(jìn)行變溫度的光電參數(shù)測(cè)試及熱特性測(cè)試。分析了兩種器件的光功率隨溫度的變化,并對(duì)兩種樣品的色溫隨溫度的變化進(jìn)行分析,研究了有CBL結(jié)構(gòu)的LED色溫更低的原因;分析了兩種LED的半寬和峰值波長(zhǎng)的變化,對(duì)器件正向電壓隨溫度的變化進(jìn)行分析。最后對(duì)兩種器件進(jìn)行了結(jié)溫?zé)嶙铚y(cè)試,研究了CBL結(jié)構(gòu)對(duì)器件熱特性的影響。(4)對(duì)兩種器件進(jìn)行溫度過(guò)應(yīng)力加速老化實(shí)驗(yàn)。選取兩種樣品各5支,設(shè)定溫度應(yīng)力為85℃,驅(qū)動(dòng)電流為350mA。分析了兩種器件的光電參數(shù)隨老化時(shí)間的變化,結(jié)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(jī)理。
【圖文】：

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

通常由Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料如 GaAs，GaN，GaP 等制備而成。其發(fā)光機(jī)理如圖1-2 所示，，當(dāng) PN 結(jié)處于平衡時(shí)勢(shì)壘高度是一定的，施加正向電壓后 PN 結(jié)內(nèi)部勢(shì)壘降低，內(nèi)建電場(chǎng)相應(yīng)減弱，載流子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，PN 結(jié)內(nèi)處于激發(fā)態(tài)的電子向低能級(jí)躍遷，發(fā)生電子空穴的輻射復(fù)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(guò)激發(fā)使非平衡載流子復(fù)合才能發(fā)光[20]。(a) (b)圖 1-2 (a)平衡 PN 結(jié)能帶圖 (b)正向偏置下 PN 結(jié)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(lán)光 LED 等。并且 LED 發(fā)光波長(zhǎng) 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(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN312.8

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本文編號(hào)：2611098