高效高可靠LED若干关键技术研究

大功率半导体发光二极管(LED)作为一种新型固态光源,已被广泛应用于绿色智慧照明、可见光通信等领域。随着LED技术的进一步发展,对LED发光效率和稳定性的要求越来越高。提高LED发光效率包括提升内外量子效率方法,包括表面粗糙表面光子晶体以及新材料结构等。本文主要研究提高LED发光效率和有效热管理等关键问题。本文首先提出了基于光学邻近效应的光刻过程,采用合适的工艺条件,实现在LED表面用单次刻蚀制备分层粗化结构。通过建立了该结构的菲涅尔近场衍射理论模型,仿真分析了在光刻工艺中由光邻近效应导致LED表面粗化后的光场分布。设计了AlGaInP LED表面GaP层单次刻蚀分层粗化的实验方案,实验研究采用不同的光刻和反应离子刻蚀参数对GaP表面分层粗化程度的影响,最佳工艺参数时该LED芯片抽光效率提高了 162%。其次,为了进一步研究光子晶体结构对LED抽光效率的提高作用,本文提出了 LED表面二维六角晶格漏斗型空气孔光子晶体(PC)结构方案。通过分析并优化设计该结构参数,并提出在GaN LED表面制备该PC结构的三光束激光干涉方法,分析了激光三光束干涉图形和激光功率、光束夹角之间的关系。研制了相应的实验系统,试验探究不同激光输出功率密度与光子晶体形貌关系,获取了最佳工艺参数。基于该PC结构的GaN LED抽光效率比平面型的提高了 55.7%。本文探究了在LED表面制备纳米周期Ag/Si双曲超材料(HMMs)结构对提高LED发光性能及内量子效应的影响。通过建立数值分析模型,研究该HMMs结构对GaP LED发光效率和Purcell系数的影响。提出了在GaP LED表面制备纳米周期Ag/Si HMMs结构的实验方法,通过磁控溅射在GaP LED表面形成Ag/Si HMMs膜,再采用聚焦离子束刻蚀出纳米周期结构。结果表明,220nm周期HMMs GaP LED比平面LED的发光效率提高了 1倍,光子衰减速率提高了 2倍。本文对LED有效热管理进行研究,提出了基于LED芯片内温度测量闭环反馈式大功率LED热管理方案,建立了 LED热传导模型。基于ANSYS对大功率LED器件(CSM 360)进行散热分析,分别获得无散热、鳞片辅助散热条件下的该器件的温度分布,设计了热管集成和半导体集成一体化散热结构,研制了 80W CSM 360的恒流驱动和基于热管散热的热管理系统,保证了大功率LED稳定工作。