大功率全方位反射镜发光二极管性能研究
中心议题:
- 大功率全方位反射镜发光二极管性能研究
- 采用工艺技术提高LED 的出光效率
- 分析得出实验测试结果
1. 引言
目前大功率LED光提取效率比较低的一个重要原因是LED 衬底的厚度比较大,很大一部分有源区发射的光入射到衬底层被衬底和电极等材料吸收,从而大大降低光的提取效率,进而影响出光,为了改善这一缺陷,近几年利用全方位反射镜 ( omnidirectional reflector,ODR) 将有源区发出的射向衬底的光反射出去是一个兴起的分支. Tu 等采用ZnO 接触作为反射镜减少光源射向顶部时被不透明电极吸收的部分光线; Horng 等在Si 衬底与有源区之间增加反射镜,并在p,n 区两侧分别做粗糙处理来增加出光,制作工艺复杂; 李一博等的利用Si做转移衬底,Au做反光镜和键合界面,ITO做缓冲层和窗口层制作基于Au /Au直接键合的反光镜,是金属反射镜,与ODR 有本质区别并且在实际操作中需要键合技术,工艺相对复杂; 考虑到Ag / SiO2 作为反射镜时,入射光不论是TE 模态还是TM 模态在不同角度上都有很高的反射率,所以本实验中采用现有的芯片,先将蓝宝石衬底减薄,再在蓝宝石衬底上用PECVD 分别镀上一层SiO2和Ag,即构成了白光ODR LED,制作工艺简单,光强提高显著,利于生产实际. 实验中采用电极形状如图1 所示,ODR LED 芯片剖面结构如图2 所示,图2 中蓝宝石衬底下Mirror 为Ag / SiO2.

2. 实验原理
图2 模拟了光在ODR LED 内部发射时所经过的路径: 当在p,n 电极上加上正向压降时,p 区空穴与n 区电子向有源区运动并发生辐射复合,发出的光线有两条路径,一条直接射出如图2 中路径1,另一条射向衬底下的全方位反射镜,并发生反射,从顶面或侧面射出如图2 中路径2,从而增加光射出的路径,增强LED的光通量与光效.
3. 实验样品
本批实验样品采用扬州华夏集成光电有限公司生产的芯片.对一块外延片整体进行测试,发现测试结果基本一致后试制成芯片. 将该外延片一半制做成普通LED 芯片,另一半制做ODR LED 芯片,芯片的尺寸为40 mil. 选取一个单元中的ODR LED芯片如图3 所示,与图2 比较,可以明显看出芯片亮度不同.
12345下一页> 关键字:反射镜 发光二极管 大功率LED 串联电阻  本文链接:http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80012448
采用半自动针测机对芯片进行点测并选取与点测平均值较近的单元( 包含ODR 芯片与普通芯片各一个单元) 进行试制成LED 样品,这两个单元裸芯片在封装前的点测结果如表1表2 所示. 从表1 表2 测量结果中可以看出: ODR 芯片比普通芯片的光强1847mcd 提高了244 mcd,相对提高了13. 21% ,这是由于ODR 增加反射光; 在通入相同的350 mA 工作电流时,ODR 芯片的电压比普通芯片的电压3. 202 V 增加了0. 002 V,此误差较小可忽略; 其他方面的测量,两种芯片测试结果基本保持一致.

4. 1. 光色电测试结果
对封装后的样品选取普通LED 和ODR LED 各7个,两类LED中不同样品各自编号,先进行LED的快速光色电测试,测试仪器为杭州远方HAAS- 2000 LED 快速光色电综合测试量系统,测试温度为25℃,测试电流为350 mA,两组LED 的测试结果如下,表3 中去除5 号、表4 中去除5 号和7 号等性能不佳的样品,两组样品测量反向漏电流时的反向电压均为- 5. 008 V.

<上一页12345下一页> 关键字:反射镜 发光二极管 大功率LED 串联电阻  本文链接:http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80012448?page=2
4. 2. 光谱测试
对测试的ODR LED 与普通LED 的发光光谱进行测试,结果如图4 所示,从图中可以看到,两种样品均产生两个波峰,并且两个波峰位置相同,一个峰位于445 nm,属于蓝光光谱范围,另一个峰位于 546 nm,为黄绿光光谱范围,这是由于这批白光LED 样品采用在LED 蓝光芯片上涂覆YAG ( yttrium aluminum garnet,钇铝石榴石) 荧光粉,芯片发出的 蓝光激发荧光粉后可产生典型的500-580 nm 黄绿 光,黄绿光再与蓝光合成白光. 利用这种方法制备白光简单,便于实现且效率高,资金投入不大,因此具有一定的实用性.

4.3. 电学性能测试
对ODR LED 与普通LED进行I-V 特性测试,测试条件为: 电流从0-1000 mA,间隔2mA,测试温度为25℃,测试结果如图5,从图上可以看出,两种LED 的整体电流电压特性很好,均未出现随着电流增大电压出现饱和的情况,说明这批样品品质较好. 当电流小于400 mA 时,ODR LED 与普通LED 的电流电压曲线基本重合; 当电流大于400 mA 时, ODR LED 的电压比普通LED 的电压较高,并且差距越来越大,但始终在误差范围内. ODR LED 的串联电阻为1. 160 Ω,比普通LED的串联电阻1. 102 Ω仅增加0. 058 Ω,两者基本相同.
<上一页12345下一页> 关键字:反射镜 发光二极管 大功率LED 串联电阻  本文链接:http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80012448?page=3

若忽略Rs 对工作电流的影响,( 1 ) 式可以简化为
I = Idiff exp[αV] + Ire exp[βV]. ( 2)
从图5 可以看出,当电流处于0-1000 mA 时,I-V 特性曲线呈现两种不同的区域.
当I < 400 mA,两种LED 的I-V 特性曲线基本重合,并呈现指数曲线
I = 2. 86 × 10 -3 exp[( 0. 00038V) ]. ( 3)
当I > 400 mA,两种LED 的曲线有所分离,
ODR LED: I = ( 2. 83139 + 0. 00132V) × 10 -3 ,( 4)
普通LED: I = ( 2. 82993 + 0. 00126V) × 10 -3 . ( 5)
由两种LED 曲线的解析( 4) ,( 5) 式也可以看出两种LED 的电压差差距较小,说明ODR LED 处理对LED 器件电压基本无影响.
4. 4. 光学性能测试
对两种LED 的光通量和光效随电流变化进行测量,测量条件与I-V 特性测试相同. 结果如图6 所示,从图中明显看出,两种LED 的光通量随着电流升高而逐渐升高,光效均随着电流的升高而逐渐降低; 而ODR LED 的光通量和光效要始终高于普通LED,这从光通量和光效随电流变化的角度来证实了ODR LED 的优势.


<上一页12345下一页> 关键字:反射镜 发光二极管 大功率LED 串联电阻  本文链接:http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80012448?page=4
4. 5. 色参数性能测试
在LED 的色学参数测试中,实验主要测试了峰值波长、半峰宽、色温随电流的变化而变化,测试电流与前面I-V 特性曲线测试中相同,图7显示峰值波长及半峰宽随电流变化的关系,图8 显示色温随电流变化的关系.
从图7中可以看出,随着电流的增加,峰值波长逐渐发生蓝移,并且ODR LED 的蓝移量为10. 5 nm 要高于普通LED 的蓝移量8. 5 nm,这说明ODR LED 在波长方面的光衰不如普通LED 好. 由于GaN 基材料固有的极化效应,致使多量子阱能带倾斜,产生量子限制斯塔克效应( QCSE) . 随注入电流的增加,多量子阱区的自由载流子增加,由电子和空穴的空间局域性产生的电场可以在一定程度上屏蔽了极化电场,减弱了量子限制斯塔克效应,且超过了热效应引起的红移,使量子阱的有效禁带宽度变大,峰值波向短波移动,发生蓝移; 对于两种LED 半峰宽的增加,可能是由于存在量子限制斯塔克效应,使载流子寿命的降低和光谱的展宽.

5. 结论
针对近年来LED 出光效率不高的问题,本文采用简单工艺条件提高LED 的出光效率,并且实验测试结果也证实了这种工艺处理的简易性、可行性和优越性. 从整体上看ODR LED 在光学、电学、色参 数都要比普通LED 有一定的优势,尤其是色参数方面,将大功率LED 从高色温区降低至中色温区,利于视觉的保护,并且随着电流的增加其色温仍在中色温区内,极大的改善功率型LED 的色温缺陷,对生产实际具有一定的指导作用. 感谢扬州华夏集成光电有限公司提供的实验样品和相关工艺帮助,尤其是林岳明博士并对实际样品的实验提供相关的指导与建议.<上一页12345 关键字:反射镜 发光二极管 大功率LED 串联电阻  本文链接:http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80012448?page=5