发光二极管芯片高效率结构设计与优化

摘要

自诞生以来，发光二极管（Light Emitting Diode，LED）作为一种新型的发光体就倍受关注。特别是进入21世纪以后，全球面临严重的能源、环境危机，而照明就消耗了大量的电力资源。因此，有必要改进现有的照明设备，提高其效率，减少能源消耗。半导体照明作为一种新兴的照明技术，其经济和社会意义巨大。LED的高效化、超高亮度化、全色化不断发展创新，如今LED不仅在仪器指示，交通信号，在照明领域的应用也越来越广泛。使用白色超高亮度LED发光元件代替传统的电灯泡，使用寿命超过10万小时。但是，目前相对低的流明输出和额外的驱动电路导致LED的初期成本相对于传统的照明设备较高。周围环境温度的对LED照明设备的影响较大，散热问题也急需解决，特别是在交通，医学，军事对可靠性要求较高的应用场合。如果散热不佳会大幅缩短LED寿命，甚至导致其失效。
　　 本课题的工作在国家自然科技基金项目、北京市工业发展资金项目的支持下进行，主要目的是通过表面粗化提高LED的出光效率。首先，本文介绍了目前国内外在LED芯片高效率器件结构方面的研究进展，分析了表面粗化、芯片键合等方法对LED芯片性能的影响；其次，介绍了表面粗化的几种制作方法，即湿法、干法刻蚀技术和外延生长技术，以及采用蒙特卡洛光线追迹数值模拟方法，模拟表面粗化对LED芯片的光提取效率的影响。实验中分别采用湿、干法刻蚀技术，在LED表面制作出微纳米结构，提高了LED的出光效率；同时解决表面粗化给LED芯片电学性能带来的不利影响，对现有的工艺流程进行了优化，提升现有的AlGaInP基LED芯片性能。主要的研究内容如下：
　　 1、详细阐述了AlGaInP发光二极管的工作原理，介绍了目前几种能有效提高AlGaInP发光二极管光提取效率的手段，并且分析了各自的优劣势；其次，介绍了几种LED芯片中的提高光提取效率的结构，表面粗化，漫反射镜，光子晶体，其中表面粗化的方法由于制作成本低，不需要改进现有的设备和芯片制作流程，是一种适宜大规模商业化生产的方法。
　　 2、为LED芯片建立理论模型，采用蒙特卡罗光线追迹模拟方法对不同的表面结构的LED芯片进行数值模拟，计算粗化后的LED芯片出光效率。通过计算模拟优化不同的表面结构参数，从模拟结果我们可以看出表面粗化可以有效的提高LED芯片的光提取效率，同时又不需要对现有的工艺流程做很大的改动。
　　 3、实验中，采用磷酸、盐酸混合溶液腐蚀n-AlGaInP表面制作具有纳米级的出光表面，不断改进湿法腐蚀溶液的配比，优化粗化的时间，提高了LED的光提取效率，通过电子扫描显微镜SEM分析纳米结构，可以看出这种结构能够有效的提高LED的外量子效率。另外，利用数值模拟的结果作为指导，采用干法刻蚀的方法在出光表面制作微米级的微结构，通过一系列的实验，可以看出半球形的粗化结构最能有效提高LED芯片的出光效率，且相对于金字塔形结构，利用光刻胶热熔技术制作半球形结构更为方便简单。而且这种方法也可以用来制作图形衬底（PSS）提高GaN基LED芯片光提取效率。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪 论

1.1 照明光源的发展历史

1.2 发光二极管的应用领域

1.3 发光二极管研究现状及存在的问题

1.4 本文研究的目的、意义和主要内容

第2章 发光二极管工作原理

2.1 发光二极管简介

2.2 发光二极管的发光效率

2.3 提高LED发光效率的方法

2.3.1 表面粗化

2.3.2 倒金字塔结构

2.3.3 芯片键合

2.3.4 金属反射镜

2.4 本章小结

第3章 表面粗化提高LED发光效率

3.1 LED芯片微结构

3.1.1 表面粗化

3.1.2 漫反镜

3.1.3 光子晶体

3.2 制作工艺

3.2.1 湿法腐蚀

3.2.2 干法刻蚀

3.2.3 外延生长法

3.3 微结构的测试与分析

3.3.1 金相显微镜

3.3.2 扫描电子显微镜

3.3.3 原子力显微镜

3.4 本章小结

第4章 发光二极管芯片数值模拟

4.1 蒙特卡罗方法简介

4.2 光线追迹方法

4.2.1 光线与球体求交

4.2.2 光线与多面体相交

4.3 模拟表面结构对光提取效率的影响

4.3.1 蒙特卡罗光线追迹模拟方法

4.3.2 器件理论模型

4.3.3 模拟结果及分析

4.4 本章小结

第5章 表面微结构的实际制作与分析

5.1 湿法腐蚀粗化

5.1.1 实验过程

5.1.2 实验结果分析

5.2 干法刻蚀粗化

5.2.1 ICP-RIE刻蚀原理

5.2.2 光刻胶热熔法

5.2.3 实验结果分析

5.3 本章小结

结 论

参考文献

附录 1 光线与多面体相交程序（C语言）

附录 2 光线与球体相交

附录 3 光线与圆柱体相交

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致 谢