氮化镓基半导体发光二极管的光电和热学特性研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 程立文 |
| 答辩日期 | 2012-05-22 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 陆卫 ; 张波 |
| 关键词 | 氮化镓基发光二极管 器件模拟 多层势垒结构 表面粗化 可靠性 |
| 学位专业 | 微电子学与固体电子学 |
| 英文摘要 | 氮化镓（GaN）基蓝光和紫光发光二极管（LED）制作成的白光LED具有体积小、重量轻、寿命长等优点，因此被誉为新一代照明光源。然而要完全取代传统的白炽灯和日光灯成为新一代照明光源。氮化镓发光二极管也面临着诸多问题。首先由于氮化镓基材料本身的特点，量子阱和量子势垒间晶格失配较大，在界面上会引入极化电荷，这样在量子阱中会发生量子限制的Stark(QCSE)效应，使得量子阱中载流子的复合效率不高，导致器件效率下降，另外由于在氮化镓材料中P型掺杂剂的激活能较高以及空穴本身的迁移率相对较低，导致器件中空穴注入效率低下，对器件性能影响很大；其次，由于器件本身的半导体材料的折射率和空气的折射率差距较大，因而全反射角较小，这样使得在器件内部有相当一部分光因为发生全反射而不能发射出来，造成器件外量子效率低下；最后，由于LED灯具电光转换效率不高，灯具中有相当一部分电能都转化成了热量，灯具发热严重，导致灯具的结温很高，而其光性能随着结温的上升衰减严重，灯具的可靠性会明显降低。本文通过理论和实验相结合的方法对GaN基LED光电性能和热特性进行了研究，主要内容概括为以下几个方面：1、设计了一种新型的多量子阱结构，其势垒由三层(InGaN-GaN-InGaN)势垒层取代了传统的单层GaN势垒层或者InGaN势垒层。该结构不仅具有InGaN势垒的能够减少量子阱区域垒层和阱层的的极化场的优势，而且克服了单一的InGaN势垒层连续生长所导致的芯片晶格质量变差的问题。通过理论计算发现，同传统的单层GaN势垒的LED相比，这种多层的势垒结构不仅提高了芯片的内量子效率（IQE），而且显著提高了芯片的发光功率。通过对其能带结构、载流子浓度以及复合速率等的分析，发现导致其功率上升的原因是在这种多层势垒结构中，空穴的注入效率得到了提高，导致其IQE上升的主要原因是由于在多层势垒结构中电子泄漏（Overflow）电流明显减少。2、详细研究了表面粗化对LED光提取效率和光分布的影响。一般情况下，人们采用光线追踪（Raytracing）方法来研究LED的光提取效率和光分布。Raytracing方法主要是基于射线光学，通常情况下，LED芯片的边界尺寸量级都是微米量级，远远高于LED的发光波长，这种情况下，Raytracing方法是可行的。但是Raytracing在处理表面粗化结构时却遇到了困难，这是因为粗化结构的尺寸通常都接近于发光波长量级，这样当光线传播到粗化结构表面时，不可避免的会出现干涉、衍射等一些和光的波动性相关的物理现象，这样Raytracing方法就会失效。因此我们提出了Raytracing方法和FDTD方法结合的办法来处理这类表面粗化问题。即首先用FDTD方法对粗化表面进行处理，得到粗化表面对光线的反射分布和折射分布状况，然后把这些分布结果导入到Raytracing计算中，得到整个器件的光提取效率和光分布。计算发现，通过与没有进行表面粗化处理的器件相比，进行过表面粗化的器件其光提取效率有很大的提高，其光分布也更加光滑。并且将我们的计算结果同实验数据对比发现，能够很好的吻合。说明这种方法是可行的。3、对GaN基大功率LED灯具的热特性进行了数值模拟和实验研究。发现其热传导主要由二部分决定，并且其热传导特征可以用一个两段指数函数来表征，其一是LED芯片与同芯片封装在一起的散热底座之间的热传导，其二是散热底座与灯具散热模块之间的热传导，他们表现为二种完全可以分辩的热平衡时间常数，前者约为1毫秒量级，后者约为100秒量级，为此二种热传导引发的热阻可以在LED结温随时间变化的曲线中获得。并且详细分析了器件封装的各种参数，如导热胶粘接剂的面积、散热底座的厚度、以及不同衬底材料对灯具热特性的影响。这些参数信息将能够用于对大功率LED灯具热封装结构的设计和优化，提高LED灯具的可靠性。 |
| 学科主题 | 红外基础研究 |
| 公开日期 | 2012-09-11 |
| 源URL | [http://202.127.1.142/handle/181331/5452]  |
| 专题 | 上海技术物理研究所_上海技物所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 程立文. 氮化镓基半导体发光二极管的光电和热学特性研究[D]. 中国科学院研究生院. 2012. |
入库方式： OAI收割
来源：上海技术物理研究所
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