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怎样让LED更明?一文浅析怎样削减Droop效应和进步光提取效力

泉源:LEDinside

削减“Droop效应”和进步光提取效力有助于实现更好、更明的LED

在已往十年中,LED曾经改变了固态照明,LED果其效力下和寿命少,鞭策了在通用照明中的运用。LED的效力以惊人的速度连续改进,不只削减了给定运用的LED数目,借低落了硬件体系的本钱,从而进步了接纳率并低落了本钱。这类效力的提拔使得下亮度芯片变小,可以或许将密集堆叠的阵列产生出可寻址矩阵,那异常适合于汽车前大灯静态光束转向。InGaN LED的固有高速切换使其成为可见光通信或LiFi的幻想选择。

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图1:(a)典范的热红色、暖红色磷光体转换下功率照明LED在 J= 350 mA/mm2及Tj= 85 °C时,和典范下功率汽车前照灯LED在 J= 1000 mA/mm2及Tj= 100 °C时的的成效构成;(b)典范的大功率一般照明LED;(c)典范的大功率汽车照明LED。

LED普遍渗出到各个市场中,那得归于蓝色LED插头效力、红色转换效力、准确定制和掌握色点的才能大幅度上升。在本文中,来自加利福尼亚州圣何塞的Lumileds团队议论了LED的手艺细节,并对照了差别的构造,从而凸起了将来革新的时机。在以下各节中,我们将引见种种方面:白光LED效力典范消耗(局限);大功率LED多层堆叠的内涵思索 – 内部量子效力取衰减的权衡,极性取半极性取非极性GaN的干系;载体散布和光提取装配 – 图案化基板;芯片构造对照。

Droop效应

跟着LED亮度要求的进步,事情电流密度增添,由传统的35 A/cm2延伸到100 A/cm2以上。这类转变对内涵发生了深远的影响,由于在100 A/cm2的密度时增添内部量子效力取在10-20 A/cm2时增添,重点显着差别。

在较低的电流密度下,内部量子效力的进步来自质料质量的进步,那是由于直接复合在低电流下占主导地位。

与此构成明显对照的是,当LED驱动越发难题时,核心必需针对Droop效应。今天,行业广泛支撑俄歇复合是最先辈产业装备效力下落的主要原因。因为量子阱内的载流子密度增添,因而在下驱动电流下,俄歇消耗很显着,那增强了三粒子重组历程的可能性。

削减俄歇重组的一个选择是用更多的阱引入活泼地区,由于那有可能低落个中每个的载流子密度,然则胜利几率不下。电子的不对称性和空穴的有用质量致使有源区p侧的载流子密度高于n侧的载流子密度,而且致使载流子复合的转变。 以是增加量子阱发生的效益可能会很小,以至没有。

一个更好的要领是运用带构造工程。那能够增进更好的载体散布,并确保每一个量子阱的载流子密度低。实现这一点,装备的事情点在效力曲线上更高(见图2)。

图2. 具有差别载流子散布和质料质量的LED活性地区的一维器件模仿(a)及响应的内部量子效力(IQE)曲线(b)。

固然设想用于低Droop的运动地区一般可以或许实现量子阱中载流子的均匀分布,然则它们以捐躯质料质量为价值,而且那增添了非辐射直接复合。一般,低Droop活性区设想中的铟含量增添会形成质料质量低落。明显,最好的LED必需将抗击效力下垂取下质料质量联合起来,确保低的直接重组(见图2)。

不想泛起Droop效应的另一个选择是经由过程电子和空穴波函数更大的叠加去增添辐射复合速度。今天的LED在c面上发生并遭到内部电场的困扰,这些电场拉开了电子和空穴并损伤了辐射复合。经由过程切换到半极性和非极性基板来削减或消弭有源区域内的偏振感到电场,能够停止革新。长处不只限于较下的辐射复合,并且在较下驱动电流下落低俄歇复合速度。

实现那统统的许诺其实不轻易。今天,半极性和非极性器件遭到短时间的非辐射复合寿命限定,并且衬底异常高贵,没有贸易用处。另外,只管在这些替换晶体取向方面与得了希望,然则因为载体扩大和质料质量的革新,它们正在追逐挪动目的。

进步光提取效力

在当代大功率LED中优化光提取的一条路子包孕削减泵浦光子腾跃的次数,即泵浦光子一般在其脱离之前在芯片腔内的往复次数,并切割芯片腔内的泵浦吸取。

那两个要害特性(泵浦光子反射次数和泵浦吸取)在两种常见的架构中都有显着的差别:倒装芯片和薄膜(拜见图3的器件架构图)。薄膜设想供应较小的源尺寸,而且它们在高度定向运用中是优选的,而倒装芯片设想曲接连接到板上,而不运用插入器。二者的共同点是下电流密度和低热阻,皆可以或许实现高密度阵列。

除这两种设想以外,另有第三种,它是倒装芯片的一个变体:它经由过程阻挠蓝宝石衬底的侧面去从新定向光子穿过管芯的顶侧(见图3(b))。这类设想的长处包孕:较小的源尺寸和更严厉的角度辐射形式;更有用的耦合效力;具有更大的设想灵活性。

图3. 薄膜(TF)和倒装芯片(FC)设想的对照:(a)薄膜(b)基于倒装芯片的单面低发射器(c)基于倒装芯片的五里发射器。

从光子腾跃的角度来看,两种倒装芯片的设想对蓝宝石厚度有很强的依赖性,要优于薄膜构造(见图4)。运用倒装芯片的构造,蓝宝石需求充足薄以防备大量的光子腾跃 – 比方,关于1 mm2芯片最少为100 mm。

图4.在相对蓝宝石厚度为0.2的状况下,在相对蓝宝石厚度(左图)和光子发射的角度偏向(左图)影响下的模仿均匀光子腾跃。

倒装芯片构造有两个特性能够让腾跃次数明显削减,从而有利于提取。第一个是因为蓝宝石的下折射率,取薄膜相干的GaN逃逸外面的折射率对比度低落。第二种是一旦光进入蓝宝石腔,它便能够经由过程侧壁流传进来,从而削减了背GaN地区的散射。关于典范的蓝宝石厚度,侧壁辐射能够占提取效力的30%至40%(见图5)。

图5.在倒装芯片设想中,取总输出泵浦功率相对应的侧发射和地平线以下的光,关于蓝宝石厚度的依赖性。

一般来说,光子弹跳的数目取决于有源地区光子发射的角度偏向,而且在接近掠入射角的角度是最多的。但角度取光子弹跳之间的干系其实不简朴,由于谷曲线泛起在15°和40°之间。在LED的所有三个设想中都能够看到那一特性,而且取图案化的蓝宝石外面界面的庞大传输特性有关。请注重,关于较下的光子发射角度,光子腾跃的平均数量忽然降低,取GaN-蓝宝石或GaN-硅氧烷界面的临界角度同等。芯片的侧面涂层对光子腾跃的数目有明显的影响。

关于没有侧面涂层的倒装芯片,取GaN-硅树脂相反,在GaN蓝宝石临界角四周的较下角度处,反射数快速增添。那取我们的明白是同等的,由于在蓝宝石-硅胶顶里的任何内反射将有第二次时机从蓝宝石侧壁逃出。倒装芯片的侧面涂层带来伟大的转变,致使反向散射到GaN中泛起增添,随之而来转移到GaN硅胶临界角四周的较低角度的反弹增添。

不同类型设想的提取效力能够用下图去注释(拜见图6)。关于倒装芯片来讲,当蓝宝石厚度到达0.25阁下的相对厚度,提取效力能够快速进步,然后趋于陡峭。侧涂其实不能进步提取效力。当反射不良的涂层取下蓝宝石厚度联合运用时,提取效力可能会下落。

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图6.倒装芯片设想的模仿内部提取效力提拔示意图。

为了得到完整效力,五里发光的倒装芯片更优,由于蓝宝石腔能够削减背散射光取芯片有损地区间的相互作用。然则,薄膜设想的净反射率增益能够关于相对较下的蓝宝石厚度而言才明显。一般,它必需远远高于0.1,取反弹次数的依赖性相一致。

我们革新光提取的要领重要是削减泵浦吸取。关于倒装芯片,当轮回泵浦辐射在芯片腔内传播时,其衰减一般为每次往复7%。均匀来讲,8次光子腾跃便能进步85%阁下的提取效力。

这类吸取的最大缘由是GaN-Ag界面。处理这个缺点的一种要领是切换到复合构造,经由过程在金属和半导体之间插入充足薄的低折射率氧化物层。选择SiO 2会防备在约莫40°临界锥角内的入射取金属化相互作用。凭据我们的模仿实验,反射器消耗孝敬能够从50%下落到仅20%。

优秀的电流扩大也是由复合构造发生的,由于有可能确保注入有源区的电流绝大多数阔别n-GaN通孔(见图7)。那在下驱动条件下是稀奇有益的。

图7. 在700 mA和3000 mA驱动器操纵下,通例和复合镜里计划的归一化模仿和实行近场的外面亮度图象。

经由过程削减光子腾跃次数去增添光耦合的另外一步伐是优化取图案化蓝宝石衬底相干的散射特性。若是运用纯蓝宝石,在两个方面会形成晦气影响。起首,在最大入射辐射的角度范围内,出射面的光透射率将会低落。其次,导模的勾销将会削减,由于光芒被镜面反射而非衍射。(编译:LED网 James)

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