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1、关于对有关LED优化设计资料的总结,一：LED发展概论二：优化LED的意义三：优化LED的原理四：目前LED优化设计所取得的成果五：未来展望,LED的发展概论,90年代，四远系ALGaInP/GaAs晶格匹配材料的使用，使得LED的发光效果提高几十流明、瓦。美国惠普公司利用倒金字塔管芯结构设计的红光LED发光效率达到100lm/W。近年来，LED有了很大的突破。以致在过去几年中，白光LED引起LED产业界和学术界的广泛重视，日本日亚公司利用蓝光LED激发黄粉和红粉得到白光LED，发光效率达到了60lm/W。,美国Cree公司利用SiC衬底生长的GaN的白光LED发光效率达到了70lm/W。同时
2、功力型白光LED的封装也被厂商所重视，而美国的Lumileds公司的进展最为迅速，他们已经使用flip-chip工艺研制出了4组1*1mm蓝光芯片用黄粉封装的LED灯，1400mA电流下的光通量达到了187lm.,优化LED的意义,一：利用各种原理对LED进行优化设计，能充分提高了芯片的出光效率，能够为生产提供一定的理论指导。二：利用电极优化或者光子晶体等来改善器件GaN LED电流的扩展特性，提高电流分布的均匀性，减少电流的聚集效应，实现提高芯片的出光效率和转化效率，提高器件的光电效应，提升产品的性能。,三:优化LED可以提高光输出强度，使资源的利用率更高。,优化LED的原理,一：基本概念：
3、LED在理想情况下，每注入一个电子便会发出一个光子，但在实际情况下，第由于内部损耗造成，注入的电子并不能全部转化为光子，而产生的光子也不能全部从LED中射出，这便引出一个量子效率的问题。注入有源层的电子并不一定全部用来产生的光子，于是产生了内量子效率(Internal quantum efficiency)，通常定义为从LED有源层产生的光子数与LED的注入电子数的比值，其表达式可以用式1-1表示。,其中Pint。表示有源层产生的光功率，而，表示注入电流。有源层产生的光子在理想情况下，将全部射向自由空间，但由于存在内部Fresnel反射以及重吸收作用(如电极和衬底)，使得产生的光并不能全部射出
4、，这时所产生的效率为提取效率(Extraction efficiency)，定义式为(1-2)。,P表示射向自由空间的光功率。提取效率通常是LED出光效率最大的限制。外量子效率则定义为射向自由空间的光子数与注入的电子数的比值。即内量子效率和提取效率的乘积，定义式为(1-3)。,另外通常所说的出光效率(Powerefficiency,WaUplug efficiency)定义为：目前，由于MOCVD外延生长技术和多量子阱结构(MQW)的引入，使LED的内量子超过80，提高的空间不大，反而在提取效率方面，主要由于内部反射的原因，提取效率一直非常低，成为遏制外量子效率不能提高的主要原因，下面就重点阐
5、述导致提取效率低下的主要原因，以及目前国内外的一些改善方法。,目前LED优化设计取得的成果,一：LED形状的设计在芯片形状设计上，科研人员设计了各式各样的形状以提高出光，最为典型的是长方体形和圆柱形，如图1-1所示。,近年来，Krames科研小组在芯片形状设计上突破性地提出了倒金字塔形结构(如图12所示)。它是在透明衬底LED基础上的再次加工。将bonding后的LED晶片倒置，切去四个方向的下角，斜面与垂直方向的夹角为35图中b，d是横截面的示意图，它演示了光出射的路径。LED的这种几何外形可以使内部反射的光从侧壁的内表面再次传播到上表面，而以小于l临界角的角度出射。同时使那些传播到上表面大
6、于临界角的光重新从侧面出射。这两种过程能同时减小光在内部传播的路程。文献报道采用这种结构可以将提取效率提高14倍，外量子效率达到55(=650nm)。,最近Nakamura等人利用n-ZnO的高透光率和在盐酸中的选择腐蚀性，将水热法合成的n-ZnO与MOCVD方法制成的p-GaN在高温下单轴压力驱使下键合在一起制成，然后利用n-ZnO在盐酸中的选择腐蚀性，腐蚀出(10-11)面，制成如图13所示具有六棱锥形状芯片，结果显示在20mA下，输出功率能比普通芯片提高22倍。,二：表面粗化降低LED内部光反射的一个行之有效的方法就是在LED表面进行粗化减少内反射，从而提高出光，如图1-4所示，早在19
7、93年Schnitzer等人在GaAs基LED芯片表面进行粗化，提出表面微小的粗化可以导致光线运动紊乱，从而就有更多的光线满足逃逸角。,此后，人们采用各种方法对LED表面进行粗化。Windisch等人采用干法光刻技术粗化LED的表面。HungWen Huang等人就利用KrF准分子激光刻蚀对上表面p-GaN进行粗化，亮度提高125倍。Chul Huh等人利用金属丛(MetalClusters)掩膜湿法腐蚀技术，粗化LED的P型层，将光转换效率提高了62。但是有人认为P型层很薄，湿法粗化难以控制，干法粗化又容易破坏其电学性能041，因此粗化P型层并非最佳选择。,wCPeng等人在芯片的下表面非掺
8、杂GaN层采用100的45的NaOH进行湿法粗化，粗化1min后表面如图15所示，形成一些锥形表面，实验证明在芯片下表面的非掺杂GaN进行粗化，将使上下表面的光都有所提高，结果表明上表面出光提高73，下表面出光提高53，紧接着他们都对LED芯片进行上下表面的双面粗化，在20mA电流条件下，上下表面光强分别提高277和273倍，如图1-6所示,三：电流扩散发光二极管的上电极对光输出影响很大，特别是电流较集中于电极下方的器件。Hyunsoo Kim等人比较了不同电极大小对出光的影响(如图1-7所示)，发现电极对出光有很大的阻碍。顶层即电流扩散层有效地把注入器件的电流扩展开来是有效解决电极阻挡的方法
9、之一(如图1-8所示),采用MOCVD设备一次完成器件结构的材料生长，生长出几十个微米厚的电流扩散层是不现实的，一般只生长几个微米到十几个微米厚。这样，只能提高材料的P型的掺杂浓度，降低材料的电阻率，有效地扩展注入电流，减小上电极对光输出的影响，实现器件的高亮度发光。如在A1GalnP发光器件中加入高掺杂p-GaP层。其次可以改变电极形状来改善电流扩散以提高出光(如图l-9)。,对于优化LED，还可以通过光子晶体，光学增透膜，衬底剥离技术，倒装芯片技术等，这里就不继续鳌述了。,未来展望,一：能够清楚了解LED的优化设计原理，更好的实现改变LED的内部结构来提高LED的出光效率；二：要充分考虑侧面的出光效率，提高内量子的效率；三：熟悉光学软件tracepro，让自己能够对于光学研究进行正确的建模。,参考文献：AlGaInP与GaN LED电极形状的优化设计 张俊兵Si衬底GaN基蓝光LED芯片出光效率的研究 俞振南采用光子晶体与全向反射镜提高LED光提取效率 许庆涛,
