本文摘要：增加“Droop效应”和提升光萃取效率有助构建更佳、更加暗的LED。

增加“Droop效应”和提升光萃取效率有助构建更佳、更加暗的LED。在过去十年中，LED早已改变了固态灯光，LED因其效率高和寿命长，推展了在标准化灯光中的应用于。LED的效率以难以置信的速度持续改善，不仅增加了等价应用于的LED数量，还减少了硬件系统的成本，从而提升了采用率并减少了成本。

这种效率的提高使得高亮度芯片变大，需要将密集填充的阵列产生出可传输速率矩阵，这非常适合于汽车前大灯动态光束改向。InGaNLED的固有高速转换使其沦为红外线通信或LiFi的理想自由选择。图1：（a）典型的冷白色、变暖白色磷光体切换高功率灯光LED在J=350mA/mm2及Tj=85°C时，以及典型高功率汽车前照灯LED在J=1000mA/mm2及Tj=100°C时的的功效构成；（b）典型的大功率普通灯光LED；（c）典型的大功率汽车灯光LED。

LED普遍渗透到各个市场中，这得归入蓝色LED插头效率、白色切换效率、准确自定义和掌控色点的能力大幅下降。在本文中，来自加利福尼亚州圣何塞的Lumileds团队辩论了LED的技术细节，并较为了有所不同的结构，从而引人注目了未来改良的机会。在以下各节中，我们将讲解各种方面：白光LED效率典型损耗（范围）；大功率LED多层填充的外延考虑到-内部量子效率与波动的取决于，极性与半极性与非极性GaN的关系；载体蔓延和光萃取装置-图案化基板；芯片结构较为。

Droop效应随着LED亮度拒绝的提升，工作电流密度减少，由传统的35A/cm2伸延到100A/cm2以上。这种变化对外延产生了深远影响的影响，因为在100A/cm2的密度时减少内部量子效率与在10-20A/cm2时减少，重点显著有所不同。在较低的电流密度下，内部量子效率的提升来自材料质量的提升，这是因为间接填充在较低电流下占到主导地位。与此构成鲜明对比的是，当LED驱动更为艰难时，焦点必需针对Droop效应。

今天，行业广泛反对俄歇填充是最先进设备工业设备效率上升的主要原因。由于量子阱内的载流子密度减少，因此在低驱动电流下，俄歇损耗很贞着，这强化了三粒子重组过程的可能性。增加俄歇重组的一个自由选择是用更好的阱引进活跃区域，因为这有可能减少其中每一个的载流子密度，但是顺利几率不低。电子的不对称性和空穴的有效地质量造成有源区p外侧的载流子密度低于n外侧的载流子密度，并且造成载流子填充的变化。

所以减少量子阱产生的效益可能会较小，甚至没。一个更佳的方法是用于带上结构工程。这可以增进更佳的载体产于，并保证每个量子阱的载流子密度较低。

构建这一点，设备的工作点在效率曲线上更高（闻图2）。图2.具备有所不同载流子产于和材料质量的LED活性区域的一维器件仿真（a）及适当的内部量子效率（IQE）曲线（b）。

虽然设计用作较低Droop的活动区域一般来说需要构建量子阱中载流子的均匀分布，但是它们以壮烈牺牲材料质量为代价，并且这减少了非电磁辐射间接填充。一般来说，较低Droop活性区设计中的铟含量减少不会导致材料质量减少。似乎，最佳的LED必需将抗击效率弯曲与低材料质量融合一起，保证较低的间接重组（闻图2）。

想经常出现Droop效应的另一个自由选择是通过电子和空穴波函数更大的变换来减少电磁辐射填充速率。今天的LED在c面上产生并受到内部电场的后遗症，这些电场冲破了电子和空穴并伤害了电磁辐射填充。通过转换到半极性和非极性基板来增加或避免有源区域内的偏振感应器电场，可以展开改良。

优点不仅仅限于较高的电磁辐射填充，而且在较高驱动电流下减少俄歇填充速率。构建这一切的允诺并不更容易。

今天，半极性和非极性器件受到短时间的非电磁辐射填充寿命容许，而且衬底十分便宜，没商业用途。此外，尽管在这些替代晶体倾向方面获得了进展，但是由于载体拓展和材料质量的改良，它们正在追赶移动目标。提升光萃取效率在现代大功率LED中优化光萃取的一条途径还包括增加泵浦光子冲刺的次数，即泵浦光子一般来说在其离开了之前在芯片腔内的来往次数，并切割成芯片腔内的泵浦吸取。这两个关键特性（泵浦光子光线次数和泵浦吸取）在两种少见的架构中都有显著的有所不同：倒装芯片和薄膜（参看图3的器件架构图）。

薄膜设计获取较小的源尺寸，并且它们在高度定向应用于中是替代性的，而倒装芯片设计必要相连到板上，而不用于放入器。两者的共同点是低电流密度和较低热阻，都需要构建高密度阵列。除了这两种设计之外，还有第三种，它是倒装芯片的一个变体：它通过挡住蓝宝石衬底的侧面来新的定向光子穿越管芯的顶侧（闻图3（b））。

这种设计的优点还包括：较小的源尺寸和更加严苛的角度电磁辐射模式；更加有效地的耦合效率；具备更大的设计灵活性。图3.薄膜（TF）和倒装芯片（FC）设计的较为：（a）薄膜（b）基于倒装芯片的单面较低发射器（c）基于倒装芯片的五面发射器。

从光子冲刺的角度来看，两种倒装芯片的设计对蓝宝石厚度有很强的依赖性，要高于薄膜结构（闻图4）。用于倒装芯片的结构，蓝宝石必须充足薄以避免大量的光子冲刺-例如，对于1mm2芯片最少为100mm。图4.在比较蓝宝石厚度为0.2的情况下，在比较蓝宝石厚度（左图）和光子升空的角度方向（右图）影响下的仿真平均值光子冲刺。倒装芯片结构有两个特点可以让冲刺次数明显增加，从而不利于萃取。

第一个是由于蓝宝石的高折射率，与薄膜涉及的GaN逃离现场表面的折射率对比度减少。第二种是一旦光转入蓝宝石腔，它就可以通过侧壁传播过来，从而增加了向GaN区域的衍射。对于典型的蓝宝石厚度，侧壁电磁辐射有可能占到萃取效率的30％至40％（闻图5）。

图5.在倒装芯片设计中，与总输入泵浦功率比较不应的侧升空和地平线以下的光，对于蓝宝石厚度的依赖性。一般来说，光子跳跃的数量各不相同有源区域光子升空的角度方向，并且在附近食者入射角的角度是最少的。但角度与光子跳跃之间的关系并不非常简单，因为谷曲线经常出现在15°和40°之间。

在LED的所有三个设计中都可以看见这一特性，并且与图案化的蓝宝石表面界面的简单传输特性有关。请注意，对于较高的光子升空角度，光子冲刺的平均值数量忽然增高，与GaN-蓝宝石或GaN-硅氧烷界面的临界角度完全一致。芯片的侧面涂层对光子冲刺的数量有明显的影响。

对于没侧面涂层的倒装芯片，与GaN-硅树脂忽略，在GaN蓝宝石临界角附近的较高角度处，光线数较慢减少。这与我们的解读是完全一致的，因为在蓝宝石-硅胶顶面的任何内光线将有第二次机会从蓝宝石侧壁逃离。倒装芯片的侧面涂层带给极大的变化，造成偏移衍射到GaN中经常出现减少，随之而来移往到GaN硅胶临界角附近的较低角度的声浪减少。

有所不同类型设计的萃取效率可以用右图来说明（参看图6）。对于倒装芯片来说，当蓝宝石厚度超过0.25左右的比较厚度，萃取效率可以较慢提升，然后渐趋陡峭。侧涂并无法提升萃取效率。当光线不当的涂层与低蓝宝石厚度融合用于时，萃取效率可能会上升。

图6.倒装芯片设计的仿真外部萃取效率提高示意图。为了取得几乎效率，五面闪烁的倒装芯片优于，因为蓝宝石腔可以增加腹散射光与芯片有损区域间的相互作用。但是，薄膜设计的净反射率增益有可能对于比较较高的蓝宝石厚度而言才明显。

一般来说，它必需相比之下低于0.1，与声浪次数的依赖性相符。我们改良光萃取的方法主要是增加泵浦吸取。对于倒装芯片，当循环泵浦电磁辐射在芯片腔内传播时，其波动一般来说为每次来往7％。

平均值来说，8次光子冲刺就能提升85％左右的萃取效率。这种吸取的仅次于原因是GaN-Ag界面。

解决问题这个弱点的一种方法是转换到填充结构，通过在金属和半导体之间放入充足薄的较低折射率氧化物层。自由选择SiO2不会避免在约40°临界锥角内的入射光与金属化相互作用。根据我们的仿真试验，反射器损耗贡献可以从50％上升到仅20％。

出色的电流拓展也是由填充结构产生的，因为有可能保证流经有源区的电流绝大多数靠近n-GaN通孔（闻图7）。这在低驱动条件下是尤其不利的。图7.在700mA和3000mA驱动器操作者下，常规和填充镜面方案的归一化仿真和实验近场的表面亮度图像。

通过增加光子冲刺次数来减少光耦合的另一措施是优化与图案化蓝宝石衬底涉及的衍射特征。如果用于显蓝宝石，在两个方面不会导致有利影响。首先，在仅次于入射光电磁辐射的角度范围内，出射面的光透射率将不会减少。

其次，导模的中止将不会增加，因为光线被镜面反射而非散射。

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