高效率红光LED设计

论文摘要

四元系AlGaInP是一种具有直接宽带隙的半导体材料,已广泛应用于多种光电子器件的制备。由于材料发光波段可以覆盖可见光的红光到黄绿波段,由此制成的可见光高亮度发光二极管受到广泛关注。四元系AlGaInP高亮度发光二极管已大量用于户外显示、交通灯、汽车灯等许多方面。为了满足不断变化的需求,进一步改进外延材料的品质,因此需对此材料体系进行深入研究,设计具有更高性能的材料结构和外延工艺。不仅要提高内量子效率和取光效率,更重要的提高器件工作的可靠性。本文针对四元体系AlGaInP高亮度发光二极管效率、MOCVD材料外延优化生长等方面,开展了一系列研究工作。（1）理论分析和效率测量:从理论上计算了AlGaInP材料的自发辐射,并分析了各种影响内量子效率的非辐射复合因素。提出内量子效率变温测量方法,在30K-300K内测量LED样品的外量子效率随温度的变化关系,并根据LED内部复合机制,最终确定内量子效率。利用光线追迹法,详细计算AlGaInP发光二极管取光效率。在取光效率计算模型中,引入了光子循环的影响,使得取光效率的计算更准确、真实。在此基础上,利用反推式,也可以计算得到内量子效率。最后提出了一种高取光效率LED模型和几种简单有效的封装结构,并进行简单的效率分析。（2）材料优化生长:从理论上和实验上对AlGaInP限制层进行了详细地分析,并对P型掺杂的关键因素进行了深入地讨论。从实验上观察Al组分和衬底温度等因素影响p型掺杂浓度,加入退火工艺分析H钝化现象,找到提高p型掺杂浓度的工艺方法。对于GaP窗口层,我们利用一种特殊的生长方法在AlGaInP外延层上生长了高质量GaP p型材料,表面细条纹,而且掺杂浓度均达要求。并对改善后的窗口层工艺进行了可靠性分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 AlGaInP 高亮度发光二极管的进展
• 1-1 半导体发光二极管的发展史
• 1-2 高亮度发光二极管应用和发展趋势
• 1-3 AlGaInP高亮度LED材料和器件的发展现状和存在的问题
• 第二章 发光二极管的内量子效率分析
• 2-1 AlGaInP 材料体系
• 2-2 AlGaInP 材料的自发辐射
• 2-3 AlGaInP 材料的非辐射复合
• 2-4 AlGaInP 发光二极管的内量子效率
• 2-5 多量子阱结构特点
• 2-6 内量子效率的变温测量
• 第三章 取光效率分析
• 3.1 LED 取光效率的模型
• 3-1-1 LED 取光效率理论模型
• 3-1-2 光子循环
• 3-2 光线追迹法
• xGa_1-x)_0.5In_0.5P 材料体系的折射率'>3-3 (Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P 材料体系的折射率
• 3-4 取光效率的测量
• 3.5 提高取光效率新途径
• 3-6 浅谈LED 高效率封装结构以及模拟
• 3-6-1 浅谈 LED 封装
• 3-6-2 高效率封装结构模拟
• 第四章 AlGaInP LED 结构设计与外延优化
• 4-1 外延生长的理论模型
• 4-2 MOCVD 生长基本原理
• 4-3 AlGaInP 材料的生长
• 4-4 AlGaInP LED 结构设计
• 4-5 载流子限制层的设计
• 4-5-1 限制层 P 型掺杂研究
• 4-5-2 退火实验
• 4-6 GaP 电流扩展层的优化
• 4-6-1 GaP 外延层优化
• 4-6-2 寿命老化测试分析
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果