提高LED的发光效率PPT
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• 三:优化LED可以提高光输出强度，使资源 的利用率更高。
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优化LED的原理
• 一：基本概念： 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Fra Baidu bibliotek的比值，其表达式可以用 式1-1表示。
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• 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)。
•
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另外通常所说的出光效率
•
(Powerefficiency,WaUplug efficiency)定义为：
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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。
10
• 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1—2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1．4倍，外量子效率达到55％(=650nm)。
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• 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1993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。
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• 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。Hung．Wen 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1．25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。
• 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。
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• 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.
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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。
• • •
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• 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，这时所产生的效率为提取效率 (Extraction efficiency)，定义式为(1-2)。
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• 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1．3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2．2倍。
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• w．C．Peng等人在芯片的下表面非掺杂 GaN层采用100的45％的NaOH进行湿法粗 化，粗化1min后表面如图1．5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 2．77和2．73倍，如图1-6所示
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• 三：电流扩散 • 发光二极管的上电极对光输出影响很大，
•
•
• 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。
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
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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。
• 三:优化LED可以提高光输出强度，使资源 的利用率更高。
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优化LED的原理
• 一：基本概念： 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Fra Baidu bibliotek的比值，其表达式可以用 式1-1表示。
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• 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)。
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另外通常所说的出光效率
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(Powerefficiency,WaUplug efficiency)定义为：
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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。
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• 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1—2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1．4倍，外量子效率达到55％(=650nm)。
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• 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1993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。
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• 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。Hung．Wen 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1．25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。
• 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。
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• 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.
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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。
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• 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，这时所产生的效率为提取效率 (Extraction efficiency)，定义式为(1-2)。
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• 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1．3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2．2倍。
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• w．C．Peng等人在芯片的下表面非掺杂 GaN层采用100的45％的NaOH进行湿法粗 化，粗化1min后表面如图1．5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 2．77和2．73倍，如图1-6所示
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• 三：电流扩散 • 发光二极管的上电极对光输出影响很大，
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• 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。
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
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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。