石墨烯透明电极及碳量子点影响LED芯片性能的模拟与实验研究

摘要

发光二极管(LED)因体积小、寿命长和耗能低等一系列的优点，而被广泛应用。但随着对LED的亮度要求越来越高，LED的功率不断增大，随之出现了LED芯片电流拥挤、结温过高和封装胶老化等一些问题，从而严重影响LED的发光效率及使用寿命。优化芯片的透明电极可以缓解电流拥堵、提高电流注入率，降低LED芯片结温，从而延长LED的使用寿命；优化荧光粉封装可以增强发光效率，提高LED器件使用范围和寿命。 但透明电极结构和荧光粉封装如何优化、优化的效果如何，首先，需要运用仿真模拟从理论上进行初步预测，然后通过实验进行验证。为此，本文采用COMSOL Multiphysics多物理场有限元仿真软件，根据芯片电流扩展理论，对石墨烯与不同金属组成的透明复合电极对GaN-LED电、热性能的影响进行了模拟研究；用COMSOL射频模块和 Tracepro光线追踪软件分别仿真计算了碳量子点（CDs）的PL发光谱和不同浓度CDs/紫外封装胶复合荧光粉对LED出光性能的影响，并将自制的CDs与紫外胶复合后封装于LED芯片，对模拟的出光性能进行了实验验证。主要结果如下： 1）探究了石墨烯/金属（金、银、镍、铂）复合透明电极对GaN-LED芯片性能的影响。研究发现：3层石墨烯分别和1nm金（Au）、1.5nm银（Ag）、1.5nm镍（Ni）和1.5nm铂（Pt）组合表现为最佳复合透明电极。这些复合透明电极与石墨烯电极相比，LED 芯片的结温降低了~12K。同时，比较了四种金属与石墨烯组成的复合透明电极，石墨烯/镍复合透明电极的LED性能最好。 2）通过COMSOL仿真探究了CDs的PL发光谱与尺寸之间的关系，得出了2nm的CDs在582nm处有发光峰。且CDs/UV-glue荧光粉在35mil×35mil LED芯片上的最佳厚度为2.3mm；10mol/L的CDs/UV-glue荧光粉固化在LED芯片上，蓝光LED能激发荧光粉发射黄光，最终获得白光。 3）采用水热法制备了尺寸大约为2nm的黄色荧光粉CDs，当CD/UV-glue浓度为1.2mg/10mL时，蓝光LED也能激发荧光粉发射黄光，这与TracePro模拟计算CDs/UV-glue 复合荧光粉浓度为 10mol/L的结果一致。通过 PL测试得出 CDs的发光谱峰值在590nm，与理论计算的峰值在582nm非常接近，误差仅为1%。 利用软件仿真不同金属薄膜/石墨烯透明电极和CDs/UV-glue复合荧光粉来探究LED的光电热性能，具有一定的参考价值和指导意义。

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