量子点LED器件封装结构与机理研究
发布时间：2021-09-03 01:00
基于稀土荧光粉的传统色转换LED器件发射光谱较宽,色域限制在约90%NTSC以内,显示效果难以有进一步的突破。采用量子点等新型发光材料制成的LED器件,通过色转换过程可实现红、蓝及绿波段较窄的发射半波宽（<20 nm）,色域超过120%NTSC,被视为下一代最有潜力的显示技术之一。目前,量子点LED器件仍缺乏有效的理论模型指导封装设计,在色转换结构及其与芯片集成方面仍普遍沿用传统封装结构,难以与量子点光热特性匹配,限制了器件发光效率与稳定性的提升。本文针对量子点LED器件封装发光效率低与稳定性差等亟待解决的关键技术难题,围绕器件建模、封装设计理论、高效色转换结构封装协同制备、封装结构光热耦合优化等开展研究。主要研究内容如下:（1）研究了量子点LED器件的建模理论,提出全光谱稳态迭代光学模拟方法,突破了传统LED双特征波长模拟方法无法考虑无穷迭代重吸收过程的局限,为量子点LED器件封装设计与理论研究提供了可能;（2）基于上述模型研究了量子点LED器件的封装光学机理,首次结合理论与实验揭示了重吸收效应与团聚诱导散射（AIS）效应是导致封装器件发光效率低下的重要因素,为量子点LED器件...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：210 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
商业化LED芯片的表面粗糙形貌；（a）ITO表面；（b）蓝宝石表面；（c）蓝宝石侧面[23]
华南理工大学博士学位论文4图1-2荧光建模过程示意图[28]Fig.1-2Thediagramoftheprocessforphosphormodeling[28]1.2.2色转换LED器件光功能结构研究光子从LED芯片量子阱发出，需经过多层高折射率材料以后才能逃逸离开器件，在各层界面处由于折射率差异存在强烈的全反射、菲涅尔反射[43]，这部分反射光线会被基板、色转换结构等封装元件吸收耗散转换为热量，降低LED器件发光效率。光功能结构在封装器件内主要分为表面结构与功能粒子结构，是获得高性能LED器件的关键。（1）表面结构芯片光出射面材料的折射率均远大于空气，导致光出射界面处发生严重的内全反射现象。例如，芯片光出射面为GaN材料时（折射率~2.43），与空气折射率具有巨大差异，导致仅有4%从量子阱产生的光子可以直接逃逸离开芯片[43]。显然，越多的光子从芯片提取到色转换结构，越有利于增加色转换概率，改善LED器件的发光性能。因此，提升芯片取光效率（光子逃逸到自由空间数目占总光子生成数目的比值）尤为重要。在早期，学者主要在芯片底部制造DBR、ODR等反射结构来减少芯片材料对光线的吸收。但上述结构需要通过外延生长工艺精确控制结构内部各层厚度，生产设备昂贵且维护成本高，大幅增加了外延片的成本。因此，在商业化芯片中，常用溅射或蒸镀等方法制备银层作为反射结构[44]，并在银与GaN层之间插入结构来增强两者的结合力及反射率。Kim等人[45]将纳米柱状ITO层插入GaN与银层之间增强两者结合力，并进一
刻蚀制备，促使PSS成为研究与产业的热点。大量的研究工作围绕PSS的图形结构展开。Feng等人[48]利用粒子束刻蚀制备出4μm宽，600nm深，间距6μm的沟槽结构PSS，提升取光效率20%。Cuong等人[49]利用湿法刻蚀制备出5μm尺度正四面体阵列结构，提升取光效率1.5倍。Huang等人[50]对锥状及金字塔结构的斜角进行优化，分别在25°-60°及20°-70°时对芯片取光有较大提升作用。Ke等人[22]利用阳极氧化铝掩刻蚀膜版在传统微米级尺度锥状PSS上制备出纳米尺度粗糙形貌，增加了PSS的漫反射强度，在360mA注入电流条件提升光功率22.3%，如图1-3所示。图1-3（a）原始PSS与（b）复合PSS的扫描电镜形貌[22]Fig.1-3Top-viewscanningelectronmicroscope(SEM)imagesof(a)bare-PSSand(b)hybrid-PSS[22]另一方面，Liu等人[51]通过调整Mg掺杂p-GaN外延生长温度，发现在800°C时可获得粗糙形貌的p-GaN层，使取光效率提升高达80%，但由于低温环境生长导致芯片漏电严重，无法满足可靠性要求。但该研究促使更多人关注GaN表面粗糙结构对取光的影响，并采用其它方法实现GaN表面结构的制备。Huang等人[52]采用湿法刻蚀方法在p-GaN层制备纳米尺度粗糙结构，提升取光效率40%。但由于p-GaN层厚度较薄，限制
本文编号：3380084
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：210 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
商业化LED芯片的表面粗糙形貌；（a）ITO表面；（b）蓝宝石表面；（c）蓝宝石侧面[23]
华南理工大学博士学位论文4图1-2荧光建模过程示意图[28]Fig.1-2Thediagramoftheprocessforphosphormodeling[28]1.2.2色转换LED器件光功能结构研究光子从LED芯片量子阱发出，需经过多层高折射率材料以后才能逃逸离开器件，在各层界面处由于折射率差异存在强烈的全反射、菲涅尔反射[43]，这部分反射光线会被基板、色转换结构等封装元件吸收耗散转换为热量，降低LED器件发光效率。光功能结构在封装器件内主要分为表面结构与功能粒子结构，是获得高性能LED器件的关键。（1）表面结构芯片光出射面材料的折射率均远大于空气，导致光出射界面处发生严重的内全反射现象。例如，芯片光出射面为GaN材料时（折射率~2.43），与空气折射率具有巨大差异，导致仅有4%从量子阱产生的光子可以直接逃逸离开芯片[43]。显然，越多的光子从芯片提取到色转换结构，越有利于增加色转换概率，改善LED器件的发光性能。因此，提升芯片取光效率（光子逃逸到自由空间数目占总光子生成数目的比值）尤为重要。在早期，学者主要在芯片底部制造DBR、ODR等反射结构来减少芯片材料对光线的吸收。但上述结构需要通过外延生长工艺精确控制结构内部各层厚度，生产设备昂贵且维护成本高，大幅增加了外延片的成本。因此，在商业化芯片中，常用溅射或蒸镀等方法制备银层作为反射结构[44]，并在银与GaN层之间插入结构来增强两者的结合力及反射率。Kim等人[45]将纳米柱状ITO层插入GaN与银层之间增强两者结合力，并进一
刻蚀制备，促使PSS成为研究与产业的热点。大量的研究工作围绕PSS的图形结构展开。Feng等人[48]利用粒子束刻蚀制备出4μm宽，600nm深，间距6μm的沟槽结构PSS，提升取光效率20%。Cuong等人[49]利用湿法刻蚀制备出5μm尺度正四面体阵列结构，提升取光效率1.5倍。Huang等人[50]对锥状及金字塔结构的斜角进行优化，分别在25°-60°及20°-70°时对芯片取光有较大提升作用。Ke等人[22]利用阳极氧化铝掩刻蚀膜版在传统微米级尺度锥状PSS上制备出纳米尺度粗糙形貌，增加了PSS的漫反射强度，在360mA注入电流条件提升光功率22.3%，如图1-3所示。图1-3（a）原始PSS与（b）复合PSS的扫描电镜形貌[22]Fig.1-3Top-viewscanningelectronmicroscope(SEM)imagesof(a)bare-PSSand(b)hybrid-PSS[22]另一方面，Liu等人[51]通过调整Mg掺杂p-GaN外延生长温度，发现在800°C时可获得粗糙形貌的p-GaN层，使取光效率提升高达80%，但由于低温环境生长导致芯片漏电严重，无法满足可靠性要求。但该研究促使更多人关注GaN表面粗糙结构对取光的影响，并采用其它方法实现GaN表面结构的制备。Huang等人[52]采用湿法刻蚀方法在p-GaN层制备纳米尺度粗糙结构，提升取光效率40%。但由于p-GaN层厚度较薄，限制
本文编号：3380084
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