微纳米结构增强蓝光LED发光效率的研究

重庆大学
Chongqing University
国内外研究现状
LED的发展历史 PN结LED的发展要追溯到20世纪60年代,当时使用的材料是GaAsP,发光颜 色为红光( λ =650nm ),发光效率约O.llm/W。 20世纪80-90年代,人们采用AlGalnP等半导体材料制成了红、橙及黄光 LED,红光LED芯片的发光效率达到了lOlm/W。90年代末,LED的相关技术已基本 成熟。人们利用AlGaInN研制出了绿光LED。 1993年,日本科学家Shuji Nakamura研制成功了世界上第一具有商业价值 的双异质结蓝光LED。之后,他们又研制了多量子阱LED,使芯片的发光效率接 近10%。蓝光LED的出现,使白光LED变得可行。 目前白光LED的实现主要是以蓝光LED为基础,通过二波长的光(蓝+黄)或 三波长(红+绿+蓝)的光混合得到。
LED发光原理
PN结处于平衡状态时,存在一定势垒。若加一正向偏压,P区和N区的多数载流子向对 方扩散。由于空穴的迁移率要比电子的迁移率小得多,大量电子的扩散,使得在P区出 现少数载流子的注入。注入到P区的电子与价带上的空穴复合同时以光的形式向外辐 射出能量。
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研究内容与技术方案
GaN基LED
图中为采用MOCVD技术制备的InGaN/GaN多量子阱7LED结构。这种结构可以发出 蓝光、紫光、绿光和深紫外光。
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研究内容与技术方案
描述LED的基本参数 不管辐射波长如何,功率转化效率是衡量LED性能的重要特征之 一。 而影响LED功率转化效率的主要因素由四部分组成,即电效率, 注入效率、内量子效率和光提取效率。 光提取效率是在单位时间辐射到自由空间的光子总数与单位时 间从有源层发出的光子数之比,表示为:
总结
本项目旨在研究不同图形结构的周期阵列对蓝光倒装LED 光提取效率的影响,如微锥阵列、微锥孔阵列、微柱阵列、微柱 孔阵列、微金字塔阵列、微金字塔孔阵列及截断的微锥阵列和 微锥孔阵列。通过对这些微结构较为全面的研究,寻找优化的图 形结构。
首次将多个微结构阵列对光提取效率的影响进行比较,这将 为高效的LED的制作提供了理论指导。
研究背景及意义
经济价值 现如今我国每年大约有2000-3000亿度电用于照明,若全部用LED光源代 替,可节省1600亿度电。 美国、日本、台湾等一些国家和地区对LED照明效益进行了预测。 美国若55%的白炽灯和55%的日光灯换成LED,每年可节省350亿美元的电 费,同时可减少7.55亿吨的C02排放量。 日本若100%的白炽灯被LED代替,可节省1-2座核电厂的发电量,减少10 亿公斤以上原油的消耗。 台湾地区若25%的白炽灯和100%的日光灯换成LED,每年可节省110亿度 电。 LED作为一种新型的绿色光源,以其独特的特点在照明领域将引领未来发 展的趋势,将成为继白炽灯、突光灯、高强度气体放电灯之后的“第四代光 源。大多数国家政府己幵始重视LED的研究和开发。
研究内容与技术方案
提高LED光提取效率的方法
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研究内容与技术方案
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• 研究微纳图形结构对蓝光LED光提取效率的 影响。
• 分析不同微纳米结构对LED发光效率的影响 • 寻找高效的提高LED发光效率的方法
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国内外研究现状
目前,对GaN半导体材料的研究和应用是全球半导体研究的热点。进入90 年代,半导体材料GaN在发光器件领域取得重大突破。1991年,日本的Nichia公司 首先在蓝宝石衬底上研制出了 GaN基蓝光LED。之后实现了 GaN基蓝、绿光LED的 商业化。 2014年度诺贝尔物理学奖授予来自三名来自美国和日本的科学家，以表 彰他们发明了蓝光LED技术。赤崎勇，天野浩以及中村修二在上世纪90年代分别 独立开发出蓝光LED技术。
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研究背景及意义
围绕着LED的研制和开发,世界上一些经济发达国家各自提出了自己的发展 计划。 从2000年开始，美国投资5亿美元实施“国家半导体照明计划”，使 LED的发光效率获得了极大的提高节约了电能，保护了环境 欧盟在2000年7月宣布启动了类似的“彩虹计划”。 1998年，日本启动了“21世纪照明计划”，推动了LED照明产 业迅速发展。 2003年6月在科技部“863”计划的支持下，我国首次提出"国 家半导体照明工程”。
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纳米结构增强蓝光LED的研究
申 请 人：张明 指 导 老 师 ： 温志渝教授 学 号：20140802018
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主要内容
课题背景及意义
国内外研究现状
研究内容与技术方案 总结
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பைடு நூலகம்
谢谢！
LED被用做照明并变得越来越流行,同时得到许多著名的照明公司的支持, 如荷兰的飞利浦(PhiUips)、德国的欧司朗(Osram)、日本的科瑞(Cree)等。
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国内外研究现状
目前就LED的发光效率和价格而言要替代传统照明（如日光灯 和白炽灯）进入照明领域还需要一段时间。LED的发光效率低特别是 GaN基蓝光LED。 为了增强LED发光效率，国内外许多科研机构开展了大量的工 作来解决这个问题，其中美国处于领先地位此外韩国、日本、加拿大、 台湾等也开展了广泛研究。在国内清华大学、上海交通大学、深圳大 学、中山大学、中科院物理研究所和山东大学等高校或科研机构也做 了大量工作。 这些工作主要集中在提高LED的光提取效率上,采取的主要方法 有:微纳米图形表面技术、图形蓝宝石衬底技术、薄层倒装技术等。目 前,对GaN基蓝光LED,最好的外量子效率已超过70%。
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国内外研究现状
存在的问题：
价格过高 LED价格过高时未能普及的原因
效率偏低
论上讲,LED的发光效率能接近100%,但以目前的技术,典型 的LED的发光效率每瓦只有几流明~几十流明,与理论值存在 较大的差距。 由于高热会造成晶格振动,进而造成结构的改变,从而降低发 光度,甚至使LED无法正常工作,也会对交错连接的封入聚合 物体造成影响。 理论讲,LED都有至少10万小时的寿命,可实际上仍然存在寿 命限制。特别对大功率LED,由于技术的不成熟,存在发热问 题,使LED的实际寿命要缩短。
课题背景及意义
研究背景：
能源的问题不仅是增强国民经济和保障社会稳定的物质基础,也 是当今世界影响政治形势的一个重要问题。随着人类社会的迅速发展 ,对能源的需求量急剧增加,而可利用的资源量却在日趋减少,能源危 机已笼罩着整个社会。能源与环境问题已成为当今世界人们普遍关注 的焦点问题之一。 为了解决能源与环境的问题,节能减排问题成为解决的问题的重 要途径之一。目前,在我国20%的电力用于照明,因此降低照明用电是 节能的重要途径。
提取效率是连接内、外量子效率的重要参数,在如今内量子效率足 够高的情况下,光提取效率成为衡量LED性能高低的重要参数。
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研究内容与技术方案
提 高 LED 光 改变LED芯片几何形状
提
取 效
倒装结构
表面微纳米结构
率
的 方 法
图形蓝宝石衬底
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课题背景及意义
LED的优点 LED作为一种新型的照明光源具有体积小、质量轻、方向性好、寿命 长、节能、环保等优点具有广阔的应用前景。特别是白光LED,是目前业界 最看好的新型产品,因为它基本上没有白炽灯和日光灯的缺点。
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散热效果不好
存在色衰
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研究内容与技术方案
LED结构
当给电极上加上正向偏压后,电子和空穴分别注入P区和N区,当非平衡少数载 流子与多数载流子复合时,就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。
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研究内容与技术方案