大功率测量技术论文提纲

论文题目：氮化镓基发光二极管光提取效率的研究

摘要：Ⅲ族氮化物在红、黄、蓝、绿波段的发光二极管和激光二极管的技术应用方面已经取得了一系列突破性的进展,使得氮化镓发光二极管（GaN LEDs）基本完成了原色光谱。随着更高亮度和效率的照明技术的实现,LED开始广泛地进入照明市场,并且在大多数照明应用中已经逐渐占据了其主导地位。直到近年来,蓝色LED的关键性能,诸如内量子效率几乎被提高到了其性能的极限,但其外量子效率却远低于内量子效率,使得LED的光提取效率成为了近年来技术研究的关注热点。大功率LED因其具有小的体积、低的电压、长的使用寿命,并且具有响应速度快、电光转换效率高,以及具有节能环保等诸多优点,使得它逐渐进入了学术界研究者们的视野。但是,由于国内真正开始研究大功率LED的时间很短,因此在结构设计和工艺制备中存在缺陷。一方面,由于Ⅲ族氮化物层之间存在较高的折射率,使得LED芯片内部有着不可忽略的内反射。另一方面,LED芯片的光提取效率也取决于芯片的结构设计,从LED芯片中提取出大量的光子是高效光电器件的基本前提。由于半导体器件制备材料的折射率通常比空气大很多,所以器件所产生的光,有相当大一部分会发生全内反射,沿着平行于表面的方向进行传播。因此,减小LED芯片内部的光程长度,使内反射最小化是提高效率的关键。就目前讲,商业大功率LED因散热不好导致器件失效性的问题没有得到很好的解决,因此市场上的大功率LED普遍为1W和2W为主,很少使用5W和10W。所以,对大功率LED的光提取效率的研究有着非常重要的意义。本论文主要解决了大功率LED光提取效率和电流拥堵的问题,设计了注入电流为350m A下的大功率LED在不同台面宽度下的结构和工艺制备版图,并对我们设计的结构进行了模拟仿真。研究了如何提高大功率LED光输出功率以及有效减小大功率LED在大电流注入下的电流拥堵问题,进而提高器件的散热问题,增加器件的使用寿命。优化了大功率LED的关键制备工艺并制备了不同台面宽度下的类叉指结构（既具有梳状台面,又具有叉指电极）的大功率LED器件。分析了影响大功率LED的电学、光学以及热学性能的主要因素。主要研究内容如下:（1）首先,利用MOCVD外延生长设备,在蓝宝石材料的衬底上外延了GaN基LED的结构。其次,利用FIB制样,并通过透射电子显微镜等检测设备对外延片的结构和材料厚度进行了剖析,测量了缓冲层、n-GaN、MQWs、p-GaN等每一层结构的材料厚度,并与我们设计的样品结构进行了对比。经霍尔测试,获得了材料p-GaN中Mg的浓度、n-GaN中Si的浓度。最后,制定了适用于研究大功率LED的电学、光学以及热学性能的实验研究方案。（2）设计了不同台面宽度下的大功率LED版图,主要包括传统大尺寸结构和三种不同台面宽度下的梳状结构LED。根据大功率LED的器件尺寸,确定了台面的宽度和数量,以及n、p电极的宽度和数量。根据传统的制备工艺,确定了大功率LED工艺的版图。通过FDTD仿真,对我们设计的结构进行了模拟测试,分析了不同台面宽度对LED光提取效率的影响,最终得到一种有利于出光的梳状台面结构LED。（3）优化了大尺寸下LED的关键制备工艺。首先,通过对比湿法腐蚀ITO和IBE干法刻蚀ITO两者中所存在的问题,确定了合适的刻蚀工艺。研究了影响ICP刻蚀速率与形貌的影响因素,选择了合适的刻蚀条件。其次,利用传输线模型对叉指电极金属的退火条件进行了正交实验,得到了该欧姆接触条件下器件发光性能最优的退火条件。（4）在相同工艺条件下制备了不同结构下的大功率LED芯片,即传统结构和类叉指结构,分别测试并分析了不同结构以及不同工艺下LED的电、光学特性以及芯片的热学特性。通过比较不同结构下的LED光提取效率,得出实验结果与我们前期的仿真结果是一致的,所以,通过实验结果表明具有类叉指结构的LED既有利于提高器件的光提取效率又有利于提高器件的电流扩展性能。

关键词：氮化镓;发光二极管;大功率LED

学科专业：控制科学与工程

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 GaN基 LED的选题背景

1.2 GaN基 LED的研究意义

1.3 GaN基 LED的光提取研究现状

1.4 论文的主要研究内容和架构

1.5 本章小结

第二章 GaN基蓝光LED的结构与制备

2.1 GaN基 LED的发光原理

2.2 GaN基蓝光LED的制备

2.2.1 衬底选择和外延生长

2.2.2 工艺制备及相关设备

2.3 GaN基蓝光LED的表征手段

2.3.1 材料的表征手段

2.3.2 器件的表征手段

2.4 GaN基 LED的主要参数

2.5 本章小结

第三章 类叉指LED的制备与表征

3.1 类叉指LED的结构设计

3.2 类叉指LED的模拟仿真

3.3 类叉指LED的制备工艺流程

3.4 类叉指LED的结构外延

3.4.1 类叉指LED外延结构的制备

3.4.2 类叉指LED外延结构的表征

3.5 相关工艺结果与讨论

3.5.1 ITO蚀刻

3.5.2 ICP台面刻蚀

3.5.3 P-GaN欧姆接触

3.5.4 界面元素分析

3.6 本章小结

第四章 类叉指结构对GaN基 LED性能的影响

4.1 类叉指结构对LED电学特性的影响

4.2 类叉指结构对LED光学特性的影响

4.3 类叉指结构对LED热学特性的影响

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 展望

参考文献

致谢