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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。

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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