基本信息
- 项目名称：
- 新型高效率LED
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品采用软件编程模拟出LED器件表面结构对出光效率的影响，通过对模拟数据的比较，设计出对侧面进行粗化，从而破坏光的全反射结构的新型高效率LED，其取光率相比无粗化的LED结构提高了 30% 。 本作品在制备LED的过程中，利用台面腐蚀法，将台面腐蚀光刻版由平行四方型结构改成边缘为锯齿状的四方型结构，从而得到了侧面粗糙化型的LED。
- 详细介绍：
- 本作品可分为理论分析、实验室制备两部分。 理论分析部分以编程模拟数据为基础，采用蒙特卡罗方法，通过c++编程模拟，分析不同的侧面粗化角度和材料吸收系数对LED出光率的影响。以长350μm 宽350μm 高1μm的LED为例，在不考虑材料对光子的势垒等基础上，对一般的LED侧面进行了粗化，实现了LED功率的提高。 在实验室制备LED阶段中，当制备过程进行到LED的台面腐蚀时，将台面腐蚀光刻版由平行四方型结构改成边缘是锯齿状四方型结构。在制备LED的模板时，形成粗化的侧面。将光刻后的外延片从P型表面到N型GaN面刻蚀，形成台面结构，制成与台面高度相同的粗化结构，形成粗化的侧面，达到侧面粗化的效果。 在前面工作基础上，本作品将设计不同侧面粗化角度，进行实验室制备。在充分考虑生产成本的基础上，比较不同侧面角度制备出的LED出光效率，将制备出的侧面粗糙型LED与普通的LED在适用范围、出光效率、制作成本等方面比较，得出最佳的侧面粗化制备方案。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计、发明目的： 将LED芯片的侧面进行粗化，提高LED的出光率。 作品的基本思路： 本作品可分为理论分析、实验室制备两部分。 理论分析部分采用蒙特卡罗方法，通过c++编程模拟，分析不同的侧面粗化角度和材料吸收系数对LED出光率的影响。 在实验室制备LED阶段中，当制备过程进行到LED的台面腐蚀时，将台面腐蚀光刻版由平行四方型结构改成边缘是锯齿状四方型结构。 创新点： （1）编程模拟了未粗化时LED芯片的出光率。当LED芯片未粗化。不加吸收时,LED出光率为0.28 。加入材料吸收系数50/cm ，LED出光率为0.1517； （2）编程模拟LED芯片的侧面为三角形时，LED的出光率。未加入吸收系数时，LED的出光率随粗化角度的变化规律。并得到关系曲线； （3）编程模拟了LED芯片的侧面为三角形时，LED的出光率。加入吸收系数50/cm 后，LED的出光率随粗化角度的变化规律，并得到关系曲线； （4）模拟了侧面是三角形时，随粗化三角形高度增加，LED芯片出光率的变化规律。并得到关系曲线； （5）实际测量并比较了侧面粗化LED芯片的发光率，得到最佳粗化方案。 技术关键： （1）用蒙特卡罗法，编程模拟未粗化、表面粗化、侧面粗化，LED的出光率，并进行理论说明； （2）实验室制备侧面粗糙式LED； 主要技术指标： LED的出光效率：实测LED出光率要求达到0.45以上。
科学性、先进性
- 为了提高蓝色LED的发光效率。采用的方法有各种各样，大概分为： （1）通过提高晶体质量来提高芯片的发光效率； （2）通过改善器件工艺来提高发光的取出效率为主的两种途径。 其中前者通过改善结晶生长的条件，改善器件结构，使LED的内量子率得到了大幅度提高，进一步改善的余地比较小。后者，主要提高光的取出效率，其中采用表面粗化技术是最常用的。 本作品在制造LED时，不采用表面粗化，采用侧面粗化。当LED的制备过程进行到LED的台面腐蚀时，将台面腐蚀光刻版由平行四方型结构改成边缘是锯齿状四方型结构，实现侧面粗化。 在不考虑光被吸收的情况下，有源区产生的光子射向器件表面，当入射角大于全反射角时，光子由于全反射将会在器件内部来回反射，始终不能透过器件表面，因此光子在器件表面及内部经多次反射最终将会到达器件的侧面。此时的侧面等效于器件表面，同样存在全反射问题。所以，我们对侧面进行粗化可以达到与表面粗化相同的效果，从而高LED的出光率。而这一技术目前国内外未见报道。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 本产品正处于实验室阶段。
技术转让方式
- 授权生产或使用
作品可展示的形式
- 实物、产品、模型、现场演示、图片、样品。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明： 我们设计的侧面粗糙型LED芯片，使用方法和一般LED芯片相同。 适用范围： 所有现在服役的LED都可用本产品替代。国内LED产品大量用于各种电器及装置、仪器仪表，等方面。 技术特点： （1）我们设计的侧面粗化型LED，和未粗化的LED相比，具有更高的出光率。和表面粗化LED相比，具有更简单的制作工艺。 （2）适用范围广，可替换现已使用的所有LED芯片。由于其出众的出光率，还可以拓展LED的应用范围，特别是在LED的高亮度照明方面。 前景分析： LED是下一代照明的最关键的原件，但由于目前LED的发光效率低和器件成本高限制了它在照明中的推广应用，而本产品大大提高了LED芯片的出光率。 利用侧面粗化法来提高出光率的LED与普通的LED在成本方面相差无几，却有着更出众的发光率，从另一方面来讲降低了LED的使用成本。 我们的侧面粗糙型LED成本低廉。目前正在实验室阶段，如果能实现工业化大规模生产，成本还将降低，具有很高的推广和应用价值。
同类课题研究水平概述
- 已经商品化的白色LED的发光效率在100 lm/W左右，这确实已经大大超过了白炽灯的效率（15 lm/W），与荧光灯的效率（100 lm/W）相当，但与LED可达到的理论照明效率（355 lm/w）相比还有很大差距。由于大量的电能转化为热能，被材料本身吸收，或在腔内被全反射，导致了芯片发热、寿命降低等相关问题。因此，要实现大规模的固体照明，进一步提高LED灯的发光效率是必然的追求。固体照明LED是由蓝色LED和吸收蓝光而发出黄光的荧光粉组合而成，有寿命长，耗能少等优点。为获得高效率固体照明LED，主要是提高蓝色LED本身的发光效率。 为了提高蓝色LED的发光效率，国内外相关机关都做了大量工作。采用的方法有各种各样，大概分为（1）通过提高晶体质量来提高芯片的发光效率（2）通过改善器件工艺来提高发光的取出效率为主的两种途径。 LED的出光效率一般称为组件的外部量子效率，其为组件的内部量子效率及组件的取出效率的乘积。所谓组件的内量子率主要与组件本身的特性有关，而一般的GaN基半导体材料采用改善结晶生长的条件，改善器件结构和采用量子阱结构等手段，已经得到了大幅度提高，进一步改善的余地比较小。后者，旨在提高光的取出效率，开发了各种手段，有分布喇格反射层（DBR）结构、透明衬底技术、衬底剥离技术、倒装芯片技术等。结构设计也是一个关键的因素，其中采用表面粗化技术是一种行之有效也是最常用的方法之一，它使出射角度大于空气与半导体的全反射角的光子在半导体内部经过多次后有机会折射出半导体，也就是破坏了光的平行反射结构，光线的出射方向被改变，使得原本无法透射的光线以一定的几率透过器件表面，很大程度增加了光的取出效率，这一技术在GaAs基的红光LED中已实现65%的出光效率，在GaN基提高出光效率50%以上，理论估计可以提高三倍以上。目前对于LED的表面粗化工作已经做得很多,进一步改善的空间很小。 本项目在制造LED时，不采用表面粗化，而采用侧面粗化。对于到达器件侧面的光子来说，器件侧面等效于器件表面。所以，我们对侧面进行粗化可以达到与表面粗化相同的效果，提高LED的出光率。同时，与粗化表面相比可使工艺更加简单。而目前这一技术在国内国外未见到相似的报道，是我们第一次提出的。
