GaN基薄膜LED倒装芯片表面结构设计及光萃取效率研究

利用FDTD方法研究具有表面微纳结构氮化镓基倒装薄膜LED芯片的光萃取效率。通过优化表面结构并研究了器件的光萃取效率随p-Ga N层厚的变化。研究发现,具有表面光子晶体和六棱锥结构的器件的光萃取效率最大值比无表面微结构器件分别提高了56%和97%。尽管两种表面结构都能有效提高器件的光萃取效率,然而采用光子晶体的方案对p-Ga N厚度和腔长要求极为苛刻。采用六棱锥结构则不仅可以获得更高的光萃取效率,并且还将大大降低实验上材料外延生长及器件制备的难度。

远程荧光粉涂覆一体化光源封装技术

提出了一种远程荧光粉涂覆一体化光源封装技术。从荧光粉散射理论分析了LED远程荧光粉涂覆角色温不均匀的原因,利用边缘光线理论设计了一符合从荧光粉激发出的黄光光强分布的自由曲面反射器结构。模拟和实验结果表示这种反射器结构相比普通反射器增加了光效且改善了角色温均匀性,此外我们基于此反射器做了色温6000 K的一体化光源,其光效能达到110 lm/W。

纳米柱高度对GaN基绿光LED光致发光谱的影响

纳米柱结构是释放高In组分InGaN/GaN绿光LED量子阱层应变的有效方法。本文采用自组装的聚苯乙烯微球掩模、感应耦合等离子体干法刻蚀和KOH溶液的湿法腐蚀,在GaN基绿光LED外延片上制备了3种高度的纳米柱结构,通过扫描电子显微镜观察纳米柱结构的形貌,并测试了常温和10 K低温时的光致发光谱(PL)。结果表明:应变释放对压电场的影响显著,使得纳米柱结构样品的内量子效率(IQE)提高,PL谱峰值波长蓝移;应变在量子阱中的不均匀分布还使得PL谱半高全宽(FWHM)展宽。与普通平面结构相比,高度为747 nm的纳米柱结构可使得IQE提升917%,PL谱峰值波长蓝移18 nm、FWHM展宽7 nm。另外,纳米柱结构样品的有源区有效面积减小可使得PL谱FWHM减小。

基于谐振腔效应的近紫外垂直结构LED光萃取效率优化

利用有限时域差分法研究近紫外垂直结构LED的光萃取效率的影响因素。结果显示,LED的光萃取效率随p-GaN层厚度的变化呈周期性振荡变化,在极大值点处的光萃取效率是极小值点处的4.8倍。进一步地,对上述振荡极大值点和极小值点的n-GaN层厚度和表面光子晶体结构进行优化,优化的光萃取效率分别达到35.3%和24.7%,比优化前各提高了37.9%和280%。因此,合理的外延层和光子晶体结构可有效提高近紫外垂直结构LED的光萃取效率,这对实验制备高效近紫外垂直结构LED芯片具有一定的指导作用。

GaN基垂直结构LED的n型电极结构设计及芯片制备

首先利用电流路径模型分析n型电极尺寸及间距等对垂直结构发光二极管(VS-LEDs)电流分布均匀性的影响,依此设计出一种螺旋状环形结构电极。其次,通过建立有限元分析软件Comsol仿真模型模拟VSLEDs有源层的电流密度分布,发现螺旋状环形结构电极的环间距越小,电流密度分布越均匀。最后,利用VS-LEDs芯片制备技术实现具有螺旋状环形电极的垂直结构LED芯片。实验结果显示,在350 m A电流驱动下,电极环间距为146.25μm的芯片具有最大的功能转换效率,达到26.8%。

双路不等功率恒定电流输出的LED驱动电路设计

我们提出了在LED光源中加入一组红光LED芯片,并在荧光粉层中减少红色荧光粉的使用量。实验得出,这种光源具有高显色指数、高光效的优点。要实现白光LED达到不同的色温,蓝光LED和红光LED的电流要求不一样,因此设计了一种双路不等功率恒定电流输出的LED驱动电路,能同时为LED光源的蓝光LED和红光LED提供不同的恒定工作电流。封装后的白光LED经过测试结果表明,所设计的电路能够满足白光LED高显色指数、高光效的要求,能够广泛应用于商业照明场合。

GaN基光子晶体LED的Purcell效应

针对目前商用LED光源带宽较窄的问题,我们引入光子晶体结构提高LED的调制带宽。首先使用时域有限差分法(FDTD)仿真LED外延结构对带宽的影响,然后在正装结构中引入光子晶体结构,并仿真光子晶体的周期、高度和占空比对带宽的影响,最后实验上制备了周期600 nm,占空比0.58的光子晶体LED。仿真结果表明:引入光子晶体结构的LED,带宽可以得到有效提升;当光子晶体周期为600 nm,占空比0.5时,Purcell因子为1.2,相比普通平片LED,带宽提高8%。实验结果显示:光子寿命减小5.9%,Purcell因子达到1.06。在普通平面LED中引入光子晶体结构,可以提高光源的调制带宽。

高斯势垒/阱作用下非局域矢量光孤子的传输特性

非局域非线性介质中高斯势垒或势阱作用下矢量光孤子的传输特性,由具有高斯型线性势的耦合非局域非线性薛定谔方程描述,通过平方算子法对方程进行数值计算,并利用分步法仿真矢量光孤子的传输.在非局域非线性大块介质中,异相位矢量孤子的分量总是自发地分离,高斯势垒可以抑制分量间的排斥作用;同相位矢量孤子的分量则总是自发地融合,高斯势阱可以抑制分量间的吸引作用.通过定量分析势垒高度(或势阱深度)或宽度与矢量孤子两个分量在归一化传输距离为500处的间距之间的关系,发现如果势垒(或势阱)的高度(或深度)及宽度太大或太小,高斯线性势都不能抑制这一过程,甚至会恶化矢量光孤子的传输.对于异相位孤子,最有效抑制分量分离过程的高斯势垒设置是高度为1.10,宽度为1.00;对于同相位孤子,最有效抑制分量融合过程的高斯势阱应设置是深度为-1.50,宽度为1.00.研究结果可为全光开关、光逻辑门、光计算等光控光技术提供参考.

LED可见光通信光电接收信号处理系统

LED可见光通信中光电接收器输出信号幅值较小且有畸变,影响了数据传输速率。设计了光电接收器信号处理系统,通过将光电接收器输出的信号放大,并将单端信号转变成差分信号,然后输入至限幅放大器中整形恢复。实验结果表明,该信号处理电路可以实现800 MHz正弦波的整形,将其连接到可见光通信系统中,在LED上加载280 MHz正弦波,信号处理电路具有较好的跟随和整形恢复能力,信号速率约可达到560 Mbps,达到了目前单信道LED使用OOK调制传输的最高速率水平。

微尺寸LED阵列芯片封装及其性能的研究

提出了一种针对微尺寸LED阵列芯片的集成封装方法,设计封装了6种发光单元尺寸不一的4×4微尺寸LED阵列芯片,色温控制在6 300 K左右,显色指数约为70。光电性能测试结果表明,发光单元越小,调制带宽越高。发光单元直径为60μm的芯片在90 mA的注入电流下,调制带宽达到了125.71 MHz,而发光单元尺寸越大,饱和光通量越高,直径为160μm的饱和光通量约为15 lm。这些结果将有助于制备可见光通信的白光光源,在保证照明品质的前提下提高调制频率。

二维三角光学格子中的PT光孤子研究

研究了基于自散焦克尔非线性的PT对称三角格子中双峰光孤子的存在性及稳定性。采用改进的平方算子法(MSOM)迭代计算出孤子的数值解,发现双峰之间具有相同相位的双峰光孤子存在于第一带隙,并且可以在某个范围内稳定传输。由傅里叶配点法得到的线性稳定性与非线性模拟传输的结果是一致的。此外,这种PT对称的双峰光孤子对入射角度非常敏感,从不同角度入射的光孤子具有不同的传输特性。

一体化LED汽车前照灯光学系统设计

提出了一体化LED汽车前照灯光学系统设计方法,并设计出同时用于前照车灯远、近光配光的非对称双自由曲面透镜。采用变焦距椭球面反射器、非对称双自由曲面透镜对光源发出的光线进行配光,可使近光的照明宽度达到16 m。仿真结果表明,该前照灯的远光和近光各点所要求的照度值和光型均满足国标,并且光斑的色温稳定。所设计的光学系统体积为传统前照灯光学系统的一半,符合紧凑化车灯设计要求。

激光远程激发荧光粉的前照灯白光光源

提出了一种采用反射式远程激发荧光粉结构的前照灯激光白光光源。反射式激发荧光粉的结构使得在大功率照明情况下荧光粉可以被及时散热。由于激光二极管的光束集中,能量密度高,在荧光粉片中添加了二氧化硅(SiO2)微粒,增强了散射作用,通过仿真分析了荧光粉和SiO2微粒对光源光色参数的影响,并验证了散热结构的有效性。根据所设计的结构制作了激光白光光源,测试结果表明该光源的光色参数满足汽车前照灯光源的标准要求。

GaN基低温无金欧姆接触电极制备及应用

制备了一种与Si-CMOS工艺线兼容的AlGaN/GaN HEMTs低温无金欧姆接触电极,分析了欧姆前刻槽深度和退火合金条件对Si基AlGaN/GaN异质结无金欧姆接触特性的影响。系统研究了具有不同欧姆前刻槽深度、不同退火条件的AlGaN/GaN异质结的Ti/Al/Ti/TiW无金电极的电流-电压特性、接触电阻率以及电极表面形貌。并利用低温退火的Ti/Al/Ti/TiW无金工艺制备了AlGaN/GaN异质结MISHEMT器件。实验结果表明,采用该无金工艺可得到比接触电阻率为5.44×10-5Ω·cm2、表面形态平整的欧姆接触电极,所制备的AlGaN/GaN异质结MISHEMT器件,在VGS=0V时的源漏饱和电流(IDSS)为345.7mA/mm,对未掺杂AlGaN/GaN HEMTs器件的低温无金欧姆接触的实现具有指导意义。

用于LED照明的光散射材料制备及表征

制备了用于LED照明的光散射材料,研究了制备过程中,硅氧烷支端基团、硅氧烷与水的摩尔比值、水解过程中的溶液pH值、水解时间、缩合过程中溶液的pH值及缩合时间对光散射粒子粒径及形貌的影响。并制备了不同光散射粒径大小、板材厚度和光散射粒子添加浓度的光扩散板。结果表明,在原料摩尔比值一定的情况下,对光散射粒子粒径影响因素从大到小排序是:聚合过程中的pH值、水解时间、聚合时间、水解过程pH值,而影响光散射粒子形貌的主要原因是硅氧烷与水的摩尔比值。随着粒径的增加,光扩散板厚度的减小以及添加浓度的增加,光扩散板的透光率增加,雾度下降。

胶体微球单层薄膜的制备、表征及应用

为使用大面积均匀分布的微球掩模制作纳米柱LED,对胶体微球单层薄膜的自组装技术进行了研究。采用旋涂法、滴定法和气液界面法,对2μm和455nm两种粒径的胶体微球进行自组装实验,并使用扫描电子显微镜进行观察和比较,分析了三种方法的优缺点。实验结果表明,旋涂法在制备过程中容易出现多层堆积现象;滴定法容易形成单层薄膜,但胶体微球较为稀疏;气液界面法可以实现较大面积的单层薄膜,胶体微球均匀分布,而且适用于各种基片,是一种简单有效的自组装方法。优选气液界面法,在GaN基LED外延片上制备了均匀分布的纳米柱结构,验证了这种方法用于纳米柱LED芯片制备的可行性。

金属掺杂ITO透明导电薄膜的制备及应用

研究制备了一种新型金属掺杂ITO透明导电薄膜。通过研究掺杂不同的金属及不同的金属厚度,对比在500℃和600℃退火条件下的透过率和方块电阻变化,并利用这种掺杂的ITO薄膜制备成14mil×28mil正装395nm UV LED芯片。利用电致发光(EL)设备对LED光电性能进行测试以及对比。实验结果表明:掺3nm金属Al和Ti的ITO薄膜在600℃退火后方块电阻最大降低6.2Ω/,透过率在395nm处最大达91.2%。在120mA注入电流下,395nmLED电压降低0.5V,功率提升19.7%。ITO薄膜掺杂金属能够影响薄膜性能,提升紫光LED光电性能。

基于自准直效应的紧凑型光子晶体偏振分束器

设计了一种基于二维光子晶体自准直效应和光子禁带特性的新型紧凑型偏振分束器,器件尺寸为9μm×9μm,利用光子晶体的自准直效应实现TE偏振光和TM偏振光在自准直结构中的自准直传播,基于光子禁带特性实现TE偏振和TM偏振的正交分离。对于插入的偏振分束结构的空气孔排数为5时,1550 nm处的TE偏振光的透过率为95.4%,对应的偏振消光比为23 dB,TM偏振光的透过率为88.5%,对应的偏振消光比为37 dB。对于覆盖100 nm带宽的TE和TM偏振光,TE偏振消光比和TM偏振消光比分别高于18 dB和30 dB。与以往的偏振分束器相比,结构更简单,尺寸更小,偏振消光比更高,更好地满足现代光通信、光集成系统的需求。