題-1_100_100.jpg)
基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 新型高效率LED
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類(lèi)：
- 信息技術(shù)
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品采用軟件編程模擬出LED器件表面結(jié)構(gòu)對(duì)出光效率的影響，通過(guò)對(duì)模擬數(shù)據(jù)的比較，設(shè)計(jì)出對(duì)側(cè)面進(jìn)行粗化，從而破壞光的全反射結(jié)構(gòu)的新型高效率LED，其取光率相比無(wú)粗化的LED結(jié)構(gòu)提高了 30% 。 本作品在制備LED的過(guò)程中，利用臺(tái)面腐蝕法，將臺(tái)面腐蝕光刻版由平行四方型結(jié)構(gòu)改成邊緣為鋸齒狀的四方型結(jié)構(gòu)，從而得到了側(cè)面粗糙化型的LED。
- 詳細(xì)介紹：
- 本作品可分為理論分析、實(shí)驗(yàn)室制備兩部分。 理論分析部分以編程模擬數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用蒙特卡羅方法，通過(guò)c++編程模擬，分析不同的側(cè)面粗化角度和材料吸收系數(shù)對(duì)LED出光率的影響。以長(zhǎng)350μm 寬350μm 高1μm的LED為例，在不考慮材料對(duì)光子的勢(shì)壘等基礎(chǔ)上，對(duì)一般的LED側(cè)面進(jìn)行了粗化，實(shí)現(xiàn)了LED功率的提高。 在實(shí)驗(yàn)室制備LED階段中，當(dāng)制備過(guò)程進(jìn)行到LED的臺(tái)面腐蝕時(shí)，將臺(tái)面腐蝕光刻版由平行四方型結(jié)構(gòu)改成邊緣是鋸齒狀四方型結(jié)構(gòu)。在制備LED的模板時(shí)，形成粗化的側(cè)面。將光刻后的外延片從P型表面到N型GaN面刻蝕，形成臺(tái)面結(jié)構(gòu)，制成與臺(tái)面高度相同的粗化結(jié)構(gòu)，形成粗化的側(cè)面，達(dá)到側(cè)面粗化的效果。 在前面工作基礎(chǔ)上，本作品將設(shè)計(jì)不同側(cè)面粗化角度，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室制備。在充分考慮生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上，比較不同側(cè)面角度制備出的LED出光效率，將制備出的側(cè)面粗糙型LED與普通的LED在適用范圍、出光效率、制作成本等方面比較，得出最佳的側(cè)面粗化制備方案。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計(jì)、發(fā)明目的： 將LED芯片的側(cè)面進(jìn)行粗化，提高LED的出光率。 作品的基本思路： 本作品可分為理論分析、實(shí)驗(yàn)室制備兩部分。 理論分析部分采用蒙特卡羅方法，通過(guò)c++編程模擬，分析不同的側(cè)面粗化角度和材料吸收系數(shù)對(duì)LED出光率的影響。 在實(shí)驗(yàn)室制備LED階段中，當(dāng)制備過(guò)程進(jìn)行到LED的臺(tái)面腐蝕時(shí)，將臺(tái)面腐蝕光刻版由平行四方型結(jié)構(gòu)改成邊緣是鋸齒狀四方型結(jié)構(gòu)。 創(chuàng)新點(diǎn)： （1）編程模擬了未粗化時(shí)LED芯片的出光率。當(dāng)LED芯片未粗化。不加吸收時(shí),LED出光率為0.28 。加入材料吸收系數(shù)50/cm ，LED出光率為0.1517； （2）編程模擬LED芯片的側(cè)面為三角形時(shí)，LED的出光率。未加入吸收系數(shù)時(shí)，LED的出光率隨粗化角度的變化規(guī)律。并得到關(guān)系曲線； （3）編程模擬了LED芯片的側(cè)面為三角形時(shí)，LED的出光率。加入吸收系數(shù)50/cm 后，LED的出光率隨粗化角度的變化規(guī)律，并得到關(guān)系曲線； （4）模擬了側(cè)面是三角形時(shí)，隨粗化三角形高度增加，LED芯片出光率的變化規(guī)律。并得到關(guān)系曲線； （5）實(shí)際測(cè)量并比較了側(cè)面粗化LED芯片的發(fā)光率，得到最佳粗化方案。 技術(shù)關(guān)鍵： （1）用蒙特卡羅法，編程模擬未粗化、表面粗化、側(cè)面粗化，LED的出光率，并進(jìn)行理論說(shuō)明； （2）實(shí)驗(yàn)室制備側(cè)面粗糙式LED； 主要技術(shù)指標(biāo)： LED的出光效率：實(shí)測(cè)LED出光率要求達(dá)到0.45以上。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 為了提高藍(lán)色LED的發(fā)光效率。采用的方法有各種各樣，大概分為： （1）通過(guò)提高晶體質(zhì)量來(lái)提高芯片的發(fā)光效率； （2）通過(guò)改善器件工藝來(lái)提高發(fā)光的取出效率為主的兩種途徑。 其中前者通過(guò)改善結(jié)晶生長(zhǎng)的條件，改善器件結(jié)構(gòu)，使LED的內(nèi)量子率得到了大幅度提高，進(jìn)一步改善的余地比較小。后者，主要提高光的取出效率，其中采用表面粗化技術(shù)是最常用的。 本作品在制造LED時(shí)，不采用表面粗化，采用側(cè)面粗化。當(dāng)LED的制備過(guò)程進(jìn)行到LED的臺(tái)面腐蝕時(shí)，將臺(tái)面腐蝕光刻版由平行四方型結(jié)構(gòu)改成邊緣是鋸齒狀四方型結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)側(cè)面粗化。 在不考慮光被吸收的情況下，有源區(qū)產(chǎn)生的光子射向器件表面，當(dāng)入射角大于全反射角時(shí)，光子由于全反射將會(huì)在器件內(nèi)部來(lái)回反射，始終不能透過(guò)器件表面，因此光子在器件表面及內(nèi)部經(jīng)多次反射最終將會(huì)到達(dá)器件的側(cè)面。此時(shí)的側(cè)面等效于器件表面，同樣存在全反射問(wèn)題。所以，我們對(duì)側(cè)面進(jìn)行粗化可以達(dá)到與表面粗化相同的效果，從而高LED的出光率。而這一技術(shù)目前國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)報(bào)道。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 本產(chǎn)品正處于實(shí)驗(yàn)室階段。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 授權(quán)生產(chǎn)或使用
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品、模型、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片、樣品。
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明： 我們?cè)O(shè)計(jì)的側(cè)面粗糙型LED芯片，使用方法和一般LED芯片相同。 適用范圍： 所有現(xiàn)在服役的LED都可用本產(chǎn)品替代。國(guó)內(nèi)LED產(chǎn)品大量用于各種電器及裝置、儀器儀表，等方面。 技術(shù)特點(diǎn)： （1）我們?cè)O(shè)計(jì)的側(cè)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，具有更簡(jiǎn)單的制作工藝。 （2）適用范圍廣，可替換現(xiàn)已使用的所有LED芯片。由于其出眾的出光率，還可以拓展LED的應(yīng)用范圍，特別是在LED的高亮度照明方面。 前景分析： LED是下一代照明的最關(guān)鍵的原件，但由于目前LED的發(fā)光效率低和器件成本高限制了它在照明中的推廣應(yīng)用，而本產(chǎn)品大大提高了LED芯片的出光率。 利用側(cè)面粗化法來(lái)提高出光率的LED與普通的LED在成本方面相差無(wú)幾，卻有著更出眾的發(fā)光率，從另一方面來(lái)講降低了LED的使用成本。 我們的側(cè)面粗糙型LED成本低廉。目前正在實(shí)驗(yàn)室階段，如果能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，成本還將降低，具有很高的推廣和應(yīng)用價(jià)值。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 已經(jīng)商品化的白色LED的發(fā)光效率在100 lm/W左右，這確實(shí)已經(jīng)大大超過(guò)了白熾燈的效率（15 lm/W），與熒光燈的效率（100 lm/W）相當(dāng)，但與LED可達(dá)到的理論照明效率（355 lm/w）相比還有很大差距。由于大量的電能轉(zhuǎn)化為熱能，被材料本身吸收，或在腔內(nèi)被全反射，導(dǎo)致了芯片發(fā)熱、壽命降低等相關(guān)問(wèn)題。因此，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的固體照明，進(jìn)一步提高LED燈的發(fā)光效率是必然的追求。固體照明LED是由藍(lán)色LED和吸收藍(lán)光而發(fā)出黃光的熒光粉組合而成，有壽命長(zhǎng)，耗能少等優(yōu)點(diǎn)。為獲得高效率固體照明LED，主要是提高藍(lán)色LED本身的發(fā)光效率。 為了提高藍(lán)色LED的發(fā)光效率，國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)關(guān)都做了大量工作。采用的方法有各種各樣，大概分為（1）通過(guò)提高晶體質(zhì)量來(lái)提高芯片的發(fā)光效率（2）通過(guò)改善器件工藝來(lái)提高發(fā)光的取出效率為主的兩種途徑。 LED的出光效率一般稱(chēng)為組件的外部量子效率，其為組件的內(nèi)部量子效率及組件的取出效率的乘積。所謂組件的內(nèi)量子率主要與組件本身的特性有關(guān)，而一般的GaN基半導(dǎo)體材料采用改善結(jié)晶生長(zhǎng)的條件，改善器件結(jié)構(gòu)和采用量子阱結(jié)構(gòu)等手段，已經(jīng)得到了大幅度提高，進(jìn)一步改善的余地比較小。后者，旨在提高光的取出效率，開(kāi)發(fā)了各種手段，有分布喇格反射層（DBR）結(jié)構(gòu)、透明襯底技術(shù)、襯底剝離技術(shù)、倒裝芯片技術(shù)等。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是一個(gè)關(guān)鍵的因素，其中采用表面粗化技術(shù)是一種行之有效也是最常用的方法之一，它使出射角度大于空氣與半導(dǎo)體的全反射角的光子在半導(dǎo)體內(nèi)部經(jīng)過(guò)多次后有機(jī)會(huì)折射出半導(dǎo)體，也就是破壞了光的平行反射結(jié)構(gòu)，光線的出射方向被改變，使得原本無(wú)法透射的光線以一定的幾率透過(guò)器件表面，很大程度增加了光的取出效率，這一技術(shù)在GaAs基的紅光LED中已實(shí)現(xiàn)65%的出光效率，在GaN基提高出光效率50%以上，理論估計(jì)可以提高三倍以上。目前對(duì)于LED的表面粗化工作已經(jīng)做得很多,進(jìn)一步改善的空間很小。 本項(xiàng)目在制造LED時(shí)，不采用表面粗化，而采用側(cè)面粗化。對(duì)于到達(dá)器件側(cè)面的光子來(lái)說(shuō)，器件側(cè)面等效于器件表面。所以，我們對(duì)側(cè)面進(jìn)行粗化可以達(dá)到與表面粗化相同的效果，提高LED的出光率。同時(shí)，與粗化表面相比可使工藝更加簡(jiǎn)單。而目前這一技術(shù)在國(guó)內(nèi)國(guó)外未見(jiàn)到相似的報(bào)道，是我們第一次提出的。
