大功率高带宽白光微LED阵列的研究

论文摘要

作为未来第四代光源的可见光LED具有高亮度、高电光转换效率、高速调制特性、性能可靠、寿命长等许多优点。可见光通信技术就是利用LED的高调制特性实现中短距离的信息传输,形成兼顾照明和无线通信的系统。这种LED可见光通信系统不仅能够节约紧张的频谱资源,而且可以减少额外的通信设备。作为可见光通信系统中的发射端,LED光源的性能决定着通信系统中的数据传输速率和传输的距离。微LED阵列技术是一种将单个芯片尺寸为几十微米的LED集成制造的一种技术,可用作发光光源、微显示器等方面。为了改善可见光通信系统中的数据传输速率和传输距离,在可见光通信系统的发射端使用微LED阵列技术制造的光源。本文主要围绕微LED阵列技术,针对提高可见光通信系统中LED光源发光效率和3dB调制带宽为目标展开了对其芯片建立电学模型和光学模型的分析研究。本文首先基于LED的泊松方程、连续方程和传输方程等半导体物理基本理论建立了多量子阱蓝光微LED芯片的电学模型。讨论了模型中的基本方程和数学计算方法,分析了微LED芯片电学模型的电流-电压特性、交流小信号响应特性、发光强度和载流子复合等特性。并且通过改变芯片的尺寸,分析芯片尺寸对电学特性和响应速度的影响。得出了采用微LED阵列技术能够提高光源响应速度的结论,设计的光源3dB调制带宽高达225MHz。随后又建立了以几何光学理论为基础的蒙特卡洛光线追迹LED芯片光学模型。分别设计了不同倾角的倒圆锥模型和倒金字塔模型。针对这两种结构的模型,研究了芯片底部反射层和倾斜角度对取光效率的影响,并对比了这两种结构的取光效率。结果表明：在芯片底部外加反射层并选用倾斜角度为10。左右的倒金字塔结构能够将LED的取光效率提高70%以上。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和目的
• 1.2 可见光通信系统中的数据传输速率
• 1.3 微LED阵列技术
• 1.3.1 微LED阵列技术及应用
• 1.3.2 国内外研究的现状
• 1.4 本文研究的主要内容及安排
• 第2章 LED基本内容及建模理论
• 2.1 LED相关知识
• 2.2 物理模型及其数学方程
• 2.2.1 基本的半导体方程
• 2.2.2 载流子统计理论
• 2.2.3 不完全电离、陷阱、缺陷产生的空间电荷
• 2.2.4 纤维锌矿材料中的极化
• 2.2.5 物理模型
• 2.3 数学计算方法
• 2.4 ATLAS及其建模
• 第3章 LED建模与电学特性仿真
• 3.1 多量子阱蓝光LED的相关特性
• 3.1.1 多量子阱蓝光LED的电学模型
• 3.1.2 多量子阱蓝光LED的电学特性
• 3.1.3 载流子的产生-复合特性
• 3.1.4 发光强度分布特性
• 3.1.5 芯片尺寸对电学特性的影响
• 3.2 禁带宽度对输出波长的影响
• 3.3 交流电学特性分析
• 3.3.1 LED芯片的小信号分析
• 3.3.2 芯片尺寸对电导和电容的影响
• 第4章 倒圆锥和倒金字塔LED芯片特性
• 4.1 圆柱和立方体LED芯片的特性
• 4.1.1 圆柱和立方体LED芯片的结构
• 4.1.2 圆柱和立方体LED芯片电学特性
• 4.2 LED芯片光学建模
• 4.2.1 LED芯片光学建模数学方法
• 4.2.2 LED芯片中各层材料的折射率
• 4.2.3 LED芯片中各层材料的吸收系数
• 4.3 倒圆锥LED芯片光学模型的特性
• 4.3.1 芯片底部外加反射层的取光效率
• 4.3.2 倾斜角度对倒圆锥LED芯片取光效率的影响
• 4.4 倒金字塔LED芯片光学模型的特性
• 4.5 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢