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具有ITO的GaNLED光电特性及可靠性研究
作 者: 丁艳
导 师: 郭伟玲
学 校: 北京工业大学
专 业: 微电子学与固体电子学
关键词: 发光二极管 铟锡氧化物 快速热退火 可靠性
分类号: TN312.8
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
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内容摘要
半导体发光二极管(lightemittingdiodes,LED)具有节能、高效、寿命长、绿色环保等优点,因而被广泛地应用到照明领域。在LED制造中,水平式GaN基LED的电流拥挤效应是影响外量子效率提高的主要因素。由于ITO具有良好的电导率以及在蓝光波长范围内的高光透射率等特性,因此被用作电流扩展层,来与P-GaN形成接触,解决了这一问题。本文的工作是在国家863项目和国家自然基金项目以及国家支撑计划的支持下进行的,主要从具有ITO的GaN基蓝光LED角度来研究如何改善器件光电特性,并提高器件的可靠性。主要内容包括:1.本文对热退火处理的ITO进行了性能测试和分析,分析了不同退火温度对真空蒸镀ITO特性的影响。通过测试ITO薄膜的电阻率和透射率随温度的变化关系,发现退火温度为450℃,时间为30min时,ITO薄膜电阻率最低为1.19×10-4)cm,透射率高达94.17%。2.对ITO/P-GaN接触特性进行了研究,使用环形传输线模型测量ITO/P-GaN接触电阻率,在450℃退火温度下得到最小值为3.9×10-3cm2。通过ITO/p-GaN接触界面处的俄歇电子能谱图,分析了界面处的原子分布状态。界面处的In、Sn、O、Ga组分变化解释了高温退火之后ITO/p-GaN接触电学性能降低的原因。3.(1)研究了常规高取光、低接触电阻的GaNLED制备工艺。通过霍尔实验,研究了不同退火温度下ITO载流子浓度和霍尔迁移率的变化。制备了Ni/Au和ITO/P-GaN接触蓝光LED,分析比较了其光电性能。在20mA电流注入下,450℃退火样品I-V特性最好,正向压降为3.14V,光输出功率达12.57mW。(2)采取了ICP深刻蚀隔离槽的方法,设计并制造了高压12V蓝光LED,二层台阶隔离槽深达5um,通过选择刻蚀的速率,得到了79.2°的侧壁坡度。对该规格的LED在上述最佳条件下进行ITO退火后测试,与常规同等芯片面积LED相比接触电阻下降4.6Ω,出光功率提高了5mW。4.(1)对具有ITO薄膜的LED进行热特性分析。选取了具有两种外延材料(AlGaInP和InGaN系)、四种颜色(红、橙、蓝、绿)的LED灯珠进行铝基板封装,对其进行结温及变电流测试,分析了不同材料以及不同组分元素对LED热特性的影响,结果表明功率型LED的光电特性依赖于结温。(2)对有无ITO电流扩展层的LED、具有不同厚度ITOLED、不同芯片尺寸LED进行老化对比实验。结果表明,ITO薄膜的应用使LED压降明显下降,光输出功率有所增大;具有ITO电流扩展层的LED在长时间老化条件下,光效衰减更明显;较厚ITO的LED可靠性较好;芯片尺寸越小,结温越高,稳定性越差。分析得出电压升高是导致结温增加LED失效的主要原因。(3)对12V高压LED进行了电流应力试验,通过老化前过程中光通量和电压的阶段性测试,分析了其参数变化的趋势及引起这种变化的原因,使用光学显微镜观察了失效样品微观图像,并分析了红外热影像图像,模拟了老化前后的结温-电压变化曲线,对老化过程失效样品进行了失效机理分析。
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全文目录
摘要 4-6 Abstract 6-10 第一章 绪论 10-18 1.1 透明导电薄膜 10 1.2 ITO的物理结构和特性 10-14 1.2.1 ITO薄膜的结构 10-11 1.2.2 ITO薄膜的电学特性 11 1.2.3 ITO薄膜的光学特性 11-12 1.2.4 ITO薄膜的导电机理 12-14 1.3 ITO在LED芯片制作中的应用 14-15 1.4 本论文的主要研究内容 15-18 第二章 利用ITO改善LED性能的理论研究 18-28 2.1 电子束蒸发制备ITO 18-20 2.2 薄膜的结构和性能测试 20-22 2.2.1 膜厚的测量 20-21 2.2.2 四探针法测量薄膜的方阻 21-22 2.2.3 分光光度计测量薄膜透射率 22 2.3 热处理对ITO特性的影响 22-26 2.3.1 实验过程 23 2.3.2 结果与讨论 23-26 2.4 本章小结 26-28 第三章 ITO在蓝光LED中的接触特性研究 28-42 3.1 金/半接触 28-31 3.1.1 金属—半导体界面态 28-29 3.1.2 导电机理 29-31 3.2 欧姆接触测试方法 31-35 3.2.1 传输线模型 32-33 3.2.2 环形传输线模型 33-35 3.3 霍尔测试 35-37 3.4 ITO/P-GaN接触特性研究 37-40 3.5 本章小结 40-42 第四章 ITO对LED性能的影响 42-56 4.1 电流扩展 42-47 4.1.1 电流拥挤效应 42 4.1.2 电流拥挤模型 42-46 4.1.3 获得均匀电流扩展的方法 46-47 4.2 ITO退火对蓝光LED性能的影响 47-50 4.2.1 实验样品的制备 47-48 4.2.2 测试结果及分析 48-50 4.3 具有ITO的GaN基高压蓝光LED特性分析 50-54 4.3.1 高压蓝光LED设计与制造 50-51 4.3.2 高压蓝光LED测试与分析 51-54 4.4 本章小结 54-56 第五章 基于ITO的GaNLED热特性及可靠性 56-80 5.1 LED可靠性 56-58 5.1.1 LED可靠性定义 56-57 5.1.2 LED可靠性试验 57-58 5.2 LED参数与结温的关系 58-64 5.2.1 实验样品及装置 58-59 5.2.2 测试结果及分析 59-64 (1)光效随电流、温度的变化关系 59-60 (2)结温、电流、电压之间的变化关系 60-62 (3)温升对光通量和发光波长的影响 62-64 5.3 加速寿命试验 64-67 5.3.1 加速寿命试验的基本思想 64-66 5.3.2 加速寿命试验的理论依据 66-67 5.4 ITO对GaNLED可靠性的影响 67-77 5.4.1 GaNLED电压升高现象研究 67-71 5.4.2 GaNLED电流应力试验 71-74 5.4.3 GaNLED失效机理分析 74-77 5.5 本章小结 77-80 结论 80-82 参考文献 82-90 攻读硕士学位期间所发表的学术论文 90-92 致谢 92
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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 半导体二极管 > 二极管:按结构和性能分 > 发光二极管
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