減少「Droop效應(yīng)」和提高光萃取效率有助于實(shí)現(xiàn)更好、更亮的LED。
在過去十年中，LED已經(jīng)轉(zhuǎn)變了固態(tài)照明，LED因其效率高和壽命長，推動(dòng)了在一般照明中的應(yīng)用。LED的效率以驚人的速度持續(xù)改善，不僅減少了給定應(yīng)用的LED數(shù)量，還降低了硬件系統(tǒng)的成本，從而提高了采用率并降低了成本。這種效率的提升使得高亮度芯片變小，能夠?qū)⒚芗褩５臄?shù)組產(chǎn)生出可尋址矩陣，這非常適合于車頭燈動(dòng)態(tài)光束轉(zhuǎn)向。InGaN LED的固有高速切換使其成為可見光通訊或LiFi的理想選擇。
▲圖1：(a)典型的冷白色、暖白色磷光體轉(zhuǎn)換高功率照明LED在 J= 350 mA/mm2及Tj= 85 °C時(shí)，以及典型高功率車頭燈LED在 J= 1000 mA/mm2及Tj= 100 °C時(shí)的功效組成;(b)典型的大功率普通照明LED;(c)典型的大功率汽車照明LED
LED廣泛滲透到各個(gè)市場中，這得歸功于藍(lán)色LED插頭效率、白色轉(zhuǎn)換效率、精確定制和控制色點(diǎn)的能力大幅度上升。在本文中，來自加利福尼亞州圣何塞的Lumileds團(tuán)隊(duì)討論了LED的技術(shù)細(xì)節(jié)，并比較了不同的結(jié)構(gòu)，從而突出了未來改進(jìn)的機(jī)會(huì)。在以下各節(jié)中，我們將介紹各種方面：白光LED效率典型損耗(范圍);大功率LED多層堆棧的磊晶考慮—內(nèi)部量子效率與衰減的衡量，極性與半極性與非極性GaN的關(guān)系;載體擴(kuò)散和光萃取裝置—圖案化基板;芯片結(jié)構(gòu)比較。
Droop效應(yīng)
隨著LED亮度要求的提高，工作電流密度增加，由傳統(tǒng)的35 A/cm2延伸到100 A/cm2以上。這種變化對(duì)磊晶產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，因?yàn)樵?00 A/cm2的密度時(shí)增加內(nèi)部量子效率與在10-20 A/cm2時(shí)增加，重點(diǎn)明顯不同。
在較低的電流密度下，內(nèi)部量子效率的提高來自材料質(zhì)量的提高，這是因?yàn)殚g接復(fù)合在低電流下占主導(dǎo)地位。
與此形成鮮明對(duì)比的是，當(dāng)LED驅(qū)動(dòng)更加困難時(shí)，焦點(diǎn)必須針對(duì)Droop效應(yīng)。今天，產(chǎn)業(yè)普遍支持歐杰復(fù)合是最先進(jìn)工業(yè)設(shè)備效率下降的主要原因。由于量子井內(nèi)的載流子密度增加，因此在高驅(qū)動(dòng)電流下，歐杰損耗很顯著，這加強(qiáng)了三粒子重組過程的可能性。
減少歐杰重組的一個(gè)選擇是用更多的井引入活躍區(qū)域，因?yàn)檫@有可能降低其中每一個(gè)的載流子密度，但是成功幾率不高。電子的不對(duì)稱性和電洞的有效質(zhì)量導(dǎo)致有源區(qū)p側(cè)的載流子密度高于n側(cè)的載流子密度，并且導(dǎo)致載流子復(fù)合的變化。所以增加量子井產(chǎn)生的效益可能會(huì)很小，甚至沒有。
一個(gè)更好的方法是使用能帶結(jié)構(gòu)工程。這可以促進(jìn)更好的載體分布，并確保每個(gè)量子井的載流子密度低。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，設(shè)備的工作點(diǎn)在效率曲線上更高(見圖2)。
▲圖2：具有不同載流子分布和材料質(zhì)量的LED活性區(qū)域的一維組件仿真(a)及相應(yīng)的內(nèi)部量子效率(IQE)曲線(b)
雖然設(shè)計(jì)用于低Droop的活動(dòng)區(qū)域通常能夠?qū)崿F(xiàn)量子井中載流子的均勻分布，但是它們以犧牲材料質(zhì)量為代價(jià)，并且這增加了非輻射間接復(fù)合。通常，低Droop活性區(qū)設(shè)計(jì)中的銦含量增加會(huì)造成材料質(zhì)量降低。顯然，最佳的LED必須將對(duì)抗效率下垂與高材料質(zhì)量結(jié)合起來，確保低的間接重組(見圖2)。
不想出現(xiàn)Droop效應(yīng)的另一個(gè)選擇是通過電子和電洞波函數(shù)更大的迭加來增加輻射復(fù)合速率。今天的LED在c面上產(chǎn)生并受到內(nèi)部電場的困擾，這些電場拉開了電子和電洞并損害了輻射復(fù)合。通過切換到半極性和非極性基板來減少或消除有源區(qū)域內(nèi)的偏振感應(yīng)電場，可以進(jìn)行改進(jìn)。優(yōu)點(diǎn)不僅限于較高的輻射復(fù)合，而且在較高驅(qū)動(dòng)電流下降低歐杰復(fù)合速率。
實(shí)現(xiàn)這一切的承諾并不容易。今天，半極性和非極性組件受到短時(shí)間的非輻射復(fù)合壽命限制，而且基底非常昂貴，沒有商業(yè)用途。此外，盡管在這些替代晶體取向方面取得了進(jìn)展，但是由于載體擴(kuò)展和材料質(zhì)量的改進(jìn)，它們正在追逐移動(dòng)目標(biāo)。
提高光萃取效率
在現(xiàn)代大功率LED中優(yōu)化光萃取的一條途徑包括減少泵浦光子跳躍的次數(shù)，即泵浦光子通常在其離開之前在芯片腔內(nèi)的往返次數(shù)，并切割芯片腔內(nèi)的泵浦吸收。
這兩個(gè)關(guān)鍵特性(泵浦光子反射次數(shù)和泵浦吸收)在兩種常見的架構(gòu)中都有明顯的不同：倒裝芯片和薄膜(參見圖3的組件架構(gòu)圖)。薄膜設(shè)計(jì)提供較小的源尺寸，并且它們?cè)诟叨榷ㄏ驊?yīng)用中是優(yōu)選的，而倒裝芯片設(shè)計(jì)直接連接到板上，而不使用插入器。兩者的共同點(diǎn)是高電流密度和低熱阻，都能夠?qū)崿F(xiàn)高密度數(shù)組。
除了這兩種設(shè)計(jì)之外，還有第三種，它是倒裝芯片的一個(gè)變體：它通過阻擋藍(lán)寶石基底的側(cè)面來重新定向光子穿過管芯的頂側(cè)(見圖3(b))。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)包括：較小的源尺寸和更嚴(yán)格的角度輻射模式;更有效的耦合效率;具有更大的設(shè)計(jì)靈活性?！ ?/p>
▲圖3：薄膜(TF)和倒裝芯片(FC)設(shè)計(jì)的比較：(a)薄膜(b)基于倒裝芯片的單面低發(fā)射器(c)基于倒裝芯片的五面發(fā)射器
[NT:PAGE]從光子跳躍的角度來看，兩種倒裝芯片的設(shè)計(jì)對(duì)藍(lán)寶石厚度有很強(qiáng)的依賴性，要優(yōu)于薄膜結(jié)構(gòu)(見圖4)。使用倒裝芯片的結(jié)構(gòu)，藍(lán)寶石需要夠厚以防止大量的光子跳躍—例如，對(duì)于1 mm2芯片至少為100 mm?！ ?/p>
▲圖4：在相對(duì)藍(lán)寶石厚度為0.2的情況下，在相對(duì)藍(lán)寶石厚度(左圖)和光子發(fā)射的角度方向(右圖)影響下的仿真平均光子跳躍
倒裝芯片結(jié)構(gòu)有兩個(gè)特點(diǎn)可以讓跳躍次數(shù)顯著減少，從而有利于光萃取。第一個(gè)是由于藍(lán)寶石的高折射率，與薄膜相關(guān)的GaN逃逸表面的折射率對(duì)比度降低。第二種是一旦光進(jìn)入藍(lán)寶石腔，它就可以通過側(cè)壁傳播出去，從而減少了向GaN區(qū)域的散射。對(duì)于典型的藍(lán)寶石厚度，側(cè)壁輻射可能占提取效率的30%至40%(見圖5)?！ ?/p>
▲圖5：在倒裝芯片設(shè)計(jì)中，與總輸出泵浦功率相對(duì)應(yīng)的側(cè)發(fā)射和地平線以下的光， 對(duì)于藍(lán)寶石厚度的依賴性
一般來說，光子彈跳的數(shù)量取決于有源區(qū)域光子發(fā)射的角度方向，并且在靠近掠射角的角度是最多的。但角度與光子彈跳之間的關(guān)系并不簡單，因?yàn)楣惹€出現(xiàn)在15°和40°之間。在LED的所有三個(gè)設(shè)計(jì)中都可以看到這一特性，并且與圖案化的藍(lán)寶石表面界面的復(fù)雜傳輸特性有關(guān)。請(qǐng)注意，對(duì)于較高的光子發(fā)射角度，光子跳躍的平均數(shù)量突然升高，與GaN-藍(lán)寶石或GaN-硅氧烷界面的臨界角度一致。芯片的側(cè)面涂層對(duì)光子跳躍的數(shù)量有顯著的影響。
對(duì)于沒有側(cè)面涂層的倒裝芯片，與GaN-硅樹脂相反，在GaN藍(lán)寶石臨界角附近的較高角度處，反射數(shù)快速增加。這與我們的理解是一致的，因?yàn)樵谒{(lán)寶石-硅膠頂面的任何內(nèi)反射將有第二次機(jī)會(huì)從藍(lán)寶石側(cè)壁逃出。倒裝芯片的側(cè)面涂層帶來巨大的變化，導(dǎo)致反向散射到GaN中出現(xiàn)增加，隨之而來轉(zhuǎn)移到GaN硅膠臨界角附近的較低角度的反彈增加。
不同類型設(shè)計(jì)的提取效率可以用下圖來解釋(參見圖6)。對(duì)于倒裝芯片來說，當(dāng)藍(lán)寶石厚度達(dá)到0.25左右的相對(duì)厚度，提取效率可以快速提高，然后趨于平緩。側(cè)涂并不能提高萃取效率。當(dāng)反射不良的涂層與高藍(lán)寶石厚度結(jié)合使用時(shí)，萃取效率可能會(huì)下降。
▲圖6：倒裝芯片設(shè)計(jì)的仿真外部萃取效率提升示意圖
為了獲得完全效率，五面發(fā)光的倒裝芯片更優(yōu)，因?yàn)樗{(lán)寶石腔可以減少背散射光與芯片有損區(qū)域間的相互作用。但是，薄膜設(shè)計(jì)的凈反射率增益可能對(duì)于相對(duì)較高的藍(lán)寶石厚度而言才顯著。通常，它必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于0.1，與反彈次數(shù)的依賴性相一致。
我們改進(jìn)光萃取的方法主要是減少泵浦吸收。對(duì)于倒裝芯片，當(dāng)循環(huán)泵浦輻射在芯片腔內(nèi)傳播時(shí)，其衰減通常為每次往返7%。平均來說，8次光子跳躍就能提高85%左右的萃取效率。
這種吸收的最大原因是GaN-Ag界面。解決這個(gè)弱點(diǎn)的一種方法是切換到復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過在金屬和半導(dǎo)體之間插入足夠厚的低折射率氧化物層。選擇SiO 2會(huì)防止在大約40°臨界錐角內(nèi)的入射與金屬化相互作用。根據(jù)我們的模擬試驗(yàn)，反射器損耗貢獻(xiàn)可以從50%下降到僅20%。
優(yōu)異的電流擴(kuò)展也是由復(fù)合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，因?yàn)橛锌赡艽_保注入有源區(qū)的電流絕大多數(shù)遠(yuǎn)離n-GaN通孔(見圖7)。這在高驅(qū)動(dòng)條件下是特別有利的?！ ?/p>
▲圖7：在700 mA和3000 mA驅(qū)動(dòng)器操作下，常規(guī)和復(fù)合鏡面方案的歸一化模擬和實(shí)驗(yàn)近場的表面亮
通過減少光子跳躍次數(shù)來增加光耦合的另一措施是優(yōu)化與圖案化藍(lán)寶石基底相關(guān)的散射特征。如果使用純藍(lán)寶石，在兩個(gè)方面會(huì)造成不利影響。首先，在最大入射輻射的角度范圍內(nèi)，出射面的光透射率將會(huì)降低。其次，導(dǎo)模的取消將會(huì)減少，因?yàn)楣饩€被鏡面反射而非繞射。
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