一种测量LED芯片光提取效率及内量子效率的方法与流程

一种测量led芯片光提取效率及内量子效率的方法
技术领域
1.本发明涉及发光二极管测量领域，尤其是涉及一种测量led芯片光提取效率及内量子效率的方法。


背景技术：

2.显示技术自诞生以来，经百年技术革新，已渗透到生活的每个角落，在目前众多显示技术中，micro-led显示技术被认为是具有颠覆性的下一代显示技术，并得到众多相关企业及研究机构的广泛关注。micro-led显示技术是一种自发光显示技术，通过将阵列化的微米级led发光器件(micro-led)，集成在有源寻址驱动基板上，以实现每个像素单独控制，从而输出显示图像。micro-led显示具有自发光、高效率、低功耗、高集成度、高稳定性等诸多优点，且体积小、灵活性高、易于拆解与合并，能够应用于现有从小尺寸到大尺寸的任何显示应用场合中。
3.然而，目前microled技术正面临诸多挑战，其中之一为microled尺寸效应，当芯片尺寸缩小到微米量级时，效率会急剧下降，随着芯片的尺寸逐渐减小，芯片的侧壁占比逐渐增大，表面的悬挂键、缺陷、杂质等导致表面复合增加，引起内量子效率降低。同时随着芯片尺寸的降低，薄膜芯片由常规尺寸的单面出光变成5面出光，上表面与侧壁的表面状态不同，导致侧壁的出光效率与上表面的出光效率并不一致。因此microled的外量子效率受到内量子效率降低和光提取效率的降低两方面的影响。
4.现在能够有效确定led的内量子效率和出光效率的方法还很少。led的内量子效率一般是通过变温el或变温pl方法来估计，而出光效率则利用光学追迹的方法计算来评估。但是，变温pl方法不但很麻烦，而且只能测量led的外延片，不能测量led芯片的内量子效率；而光学追迹的方法需要设定很多参数且很难与实验数据校准。变温el方法虽然可以测量led芯片的内量子效率，但是测量时需要降低到很低的温度，测量过程较长，容易出现降温达不到设定温度，芯片接触变差，低温下芯片烧毁等导致测量中止。
5.为了更加清晰的认识microled芯片的效率随尺寸的变化情况，急需提出一种测量led芯片光提取效率及内量子效率的方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种测量led芯片光提取效率及内量子效率的方法。
7.本发明的目的是这样实现的：
8.一种测量led芯片光提取效率及内量子效率的方法，特征是：测量至少三个不同xn的led芯片的外量子效率en，其中xn表示led芯片的出光面中光滑面的面积与总出光面的面积的比值，0＜xn＜1；根据en与xn的数值，通过公式(1)进行非线性拟和得到a、b、c常数，从而计算出led的光提取效率lee＝xna+(1-xn)b及内量子效率iqe＝c，公式(1)如下：
9.[xna+(1-xn)b]c＝en(1)。
[0010]
进一步的，所述led芯片从下到上依次包括导电基板、金属键合层、第一电极、半导
体层、钝化层、第二电极；所述总出光面包括半导体层的侧壁、半导体层的上表面未被第二电极覆盖的区域。
[0011]
进一步的，所述led芯片的总出光面包括光滑面和粗化面，所述半导体层的侧壁为光滑面；所述半导体层的上表面全部为粗化面，或一部分光滑面一部分为粗化面。
[0012]
进一步的，包括以下步骤：
[0013]
s1、制备n组测量所需led芯片；
[0014]
s2、测量每组led芯片的光滑面的面积占总出光面的面积之比xn；
[0015]
s3、测量每组led芯片在相同电流密度下的外量子效率en；
[0016]
s4、联立en与xn得到e
n-xn关系曲线；
[0017]
s5、利用公式(1)，对曲线e
n-xn进行非线性拟合，通过多次迭代得到稳定的参数a，b，c；其中a为常数，表示光滑面的光提取效率，b为常数，表示粗化面的光提取效率，c为常数，表示led芯片的内量子效率；0＜a＜1，0＜b＜1，0＜c＜1。
[0018]
进一步的，所述步骤s1中制备n组led芯片，n≥3，n组led芯片的光滑面的面积分别为s
11
、s
21
、s
31
...s
n1
，n组led芯片的粗化面的面积分别为s
12
、s
22
、s
32
...s
n2
，其中s
11
≠s
21
≠s
31
...≠s
n1
，s
12
≠s
22
≠s
32
...≠s
n2
。
[0019]
进一步的，所述步骤s2中的光滑面的面积占总出光面的面积之比xn通过公式计算得到，其中s
n1
为第n组芯片的光滑面的面积，s
n2
为粗化面的面积；n组led芯片光滑面的面积占总出光面的面积占比分别为x1、x2、x3......xn；n组led芯片粗化面的面积占总出光面的面积之比分别为1-x1、1-x2、1-x3......1-xn。
[0020]
进一步的，所述步骤s3中led芯片在相同电流密度下外量子效率en的测量方法为在led芯片第一电极与第二电极之间施加电流i，采用半导体分析测量仪测量led芯片的光功率p，及发光波长λ；由公式计算出led的外量子效率en，n组芯片的实际外量子效率分别为e1、e2、e3、...en。
[0021]
由于实际led芯片中集成了反射镜、粗化面等提高出光效率的结构，出光模式较为复杂，模拟和利用pl测量得到的led光提取效率的方法与led芯片实际的光提取效率相差较大，本发明的测量方法基于实际测量结果计算更能反应led芯片实际的光提取效率和内量子效率。
附图说明
[0022]
图1为本发明一种测量led芯片光提取效率及内量子效率的方法的实现流程图；
[0023]
图2是本发明实施例1中侧壁光滑、台面粗糙的led芯片的结构剖面图；
[0024]
图3是本发明实施例1中侧壁光滑、台面粗糙的led芯片测量图形的俯视图；
[0025]
图4是本发明实施例1中侧壁光滑、台面粗糙的led芯片的外量子效率en随led芯片光滑面的面积占总出光面的面积之比(e
n-xn)的关系曲线和拟合曲线图；
[0026]
图5是本发明实施例2中led芯片的结构剖面图；
[0027]
图6是本发明实施例2中led芯片的外量子效率en随led光滑面的面积占总出光面的面积之比(e
n-xn)的关系曲线和拟合曲线图。
具体实施方式
[0028]
以下结合附图和具体实施例对本发明做详细说明。此外，本发明的附图均采用非常简化的非精准比例，仅用以方便、明晰的辅助说明本发明。
[0029]
实施例1：测量侧壁光滑、台面粗糙的硅衬底ingan红光led芯片的光提取效率和内量子效率
[0030]
1、制备用于测量led芯片的光提取效率及内量子效率的led芯片，led芯片结构如图2所示，所述led芯片从下到上依次包括导电基板、金属键合层、第一电极、第一半导体层、有源层、第二半导体层、第二电极；所述第一半导体层的侧壁、有源层的侧壁、第二半导体层的侧壁及第二半导体层的上表面未被第二电极覆盖的区域均为出光面，所述出光面包括光滑面和粗化面；如图2所示，芯片侧壁光滑，上表面粗糙；
[0031]
2、制备4组如图2所示led芯片，led芯片的径向尺寸分别为100μm、50μm、20μm、10μm的红光led芯片，led芯片的上表面为粗化面，侧壁为光滑面；
[0032]
100μm led芯片的光滑面的面积0.0012mm2，粗化面的面积0.01mm2；50μm led芯片的光滑面的面积0.0006mm2，粗化面的面积0.0025mm2；20μm led芯片的光滑面的面积0.00024mm2，粗化面的面积0.0004mm2；10μm led芯片的光滑面的面积0.00012mm2，粗化面的面积0.0001mm2；
[0033]
3、由公式计算出led芯片的光滑面的面积占总出光面的面积之比xn，那么粗化面的面积占总出光面的面积之比为1-xn；4组led芯片的光滑面占总出光面的面积占比分别为0.107、0.193、0.375、0.545；4组led芯片的粗化面的面积占总出光面之比分别为0.893、0.807、0.625、0.455；
[0034]
4、测量led芯片的外量子效率：
[0035]
在led芯片的第一电极与第二电极之间施加电流i，采用半导体分析测量仪测量led芯片的光功率p，及发光波长λ；由公式计算出led芯片的外量子效率en；
[0036]
led径向尺寸分别为100μm、50μm、20μm、10μm的红光led芯片的外量子效率在电流密度为1a/cm2分别为13.8％、12.9*、11.7％、9.8％；
[0037]
5、测量led芯片光提取效率及内量子效率：
[0038]
计算得到n组led芯片的外量子效率en与led芯片的光滑面的面积占总出光面的面积之比xn联立，得到led芯片的外量子效率en与led芯片的光滑面的面积占总出光面的面积之比xn的关系曲线e
n-xn，如图4所示；
[0039]
6、利用公式[xna+(1-xn)b]c＝en对曲线e
n-xn进行非线性拟合，通过多次迭代得到光滑面的提取效率a＝20.6％，粗化面的提取效率b＝51.4％，led芯片的内量子效率c＝28.6％；
[0040]
7、由公式lee＝xna+(1-xn)b进一步计算可得100*100μm，50*50μm、20*20μm，10*10μm的micro led芯片的提取效率分别为48.1％、45.5％、39.9％、34.6％。
[0041]
实施例2：测量侧壁光滑、上表面外侧部分为光滑面，中间为部分粗糙的一种ingan黄光led芯片光提取效率及内量子效率
[0042]
1、制备4组如图5所示led芯片，3组led芯片的径向尺寸均为1000μm，第一组led芯片的光滑面的面积为0.16mm2，粗化面的面积为0.84mm2；第二组led芯片的光滑面的面积为0.25mm2，粗化面的面积为0.75mm2；第一组led芯片的光滑面的面积为0.49mm2，粗化面的面积为0.51mm2；
[0043]
2、由公式计算出led芯片的光滑面的面积占总出光面的面积之比xn，那么粗化面的面积占总出光面的面积之比为1-xn；4组led芯片光滑面占总出光面的面积占比分别为0.1、0.16、0.26、0.49；4组led芯片的粗化面的面积占总出光面的面积之比分别为0.99、0.84、0.75、0.51；
[0044]
3、测量led芯片的外量子效率：
[0045]
在led芯片的第一电极与第二电极之间施加电流i，采用半导体分析测量仪测量led芯片的光功率p，及发光波长λ；由公式计算出led芯片的外量子效率eqe，4组芯片在电流密度为1a/cm2分别为23.3％、20.8％、19.6*、16.2％；
[0046]
4、测量led芯片的光提取效率及内量子效率：
[0047]
计算得到n组led芯片的外量子效率en与led芯片的光滑面的面积占总出光面的面积之比xn联立，得到led芯片的外量子效率en与led芯片的光滑面的面积占总出光面的面积之比xn的关系曲线e
n-xn，如图6所示；
[0048]
5、利用公式[xna+(1-xn)b]c＝en对曲线e
n-xn进行非线性拟合，通过多次迭代得到光滑面的提取效率a＝15.4％，粗化面的提取效率b＝52.3％，led芯片的内量子效率c＝46.1％。
[0049]
以上实施例所述仅表达了本发明的技术实施方式，其描述较为具体和详细，但不能因此而理解为对本发明专利的限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种测量led芯片光提取效率及内量子效率的方法，其特征在于：测量至少三个不同x
n
的led芯片的外量子效率e
n
，其中x
n
表示led芯片的出光面中光滑面的面积与总出光面的面积的比值，0＜x
n
＜1；根据en与x
n
的数值，通过公式(1)进行非线性拟和得到a、b、c常数，从而计算出led的光提取效率lee＝x
n
a+(1-x
n
)b及内量子效率iqe＝c，公式(1)如下：[x
n
a+(1-x
n
)b]c＝e
n
(1)。2.根据权利要求1所述的测量led芯片光提取效率及内量子效率的方法，其特征在于：所述led芯片从下到上依次包括导电基板、金属键合层、第一电极、半导体层、钝化层、第二电极；所述总出光面包括半导体层的侧壁、半导体层的上表面未被第二电极覆盖的区域。3.根据权利要求1所述的测量led芯片光提取效率及内量子效率的方法，其特征在于：所述led芯片的总出光面包括光滑面和粗化面，所述半导体层的侧壁为光滑面；所述半导体层的上表面全部为粗化面，或一部分光滑面一部分为粗化面。4.根据权利要求1所述的测量led芯片光提取效率及内量子效率的方法，其特征在于：包括以下步骤：s1、制备n组测量所需led芯片；s2、测量每组led芯片的光滑面的面积占总出光面的面积之比x
n
；s3、测量每组led芯片在相同电流密度下的外量子效率e
n
；s4、联立e
n
与x
n
得到e
n-x
n
关系曲线；s5、利用公式(1)，对曲线e
n-x
n
进行非线性拟合，通过多次迭代得到稳定的参数a，b，c；其中a为常数，表示光滑面的光提取效率，b为常数，表示粗化面的光提取效率，c为常数，表示led芯片的内量子效率；0<a<1，0<b<1，0<c<1。5.根据权利要求4所述的测量led芯片光提取效率及内量子效率的方法，其特征在于：所述步骤s1中制备n组led芯片，n≥3，n组led芯片的光滑面的面积分别为s
11
、s
21
、s
31
…
s
n1
，n组led芯片的粗化面的面积分别为s
12
、s
22
、s
32
…
s
n2
，其中s
11
≠s
21
≠s
31
…
≠s
n1
，s
12
≠s
22
≠s
32
…
≠s
n2
。6.根据权利要求4所述的测量led芯片光提取效率及内量子效率的方法，其特征在于：所述步骤s2中的光滑面的面积占总出光面的面积之比x
n
通过公式计算得到，其中s
n1
为第n组芯片的光滑面的面积，s
n2
为粗化面的面积；n组led芯片光滑面的面积占总出光面的面积占比分别为x1、x2、x3……
x
n
；n组led芯片粗化面的面积占总出光面的面积之比分别为1-x1、1-x2、1-x3……
1-x
n
。7.根据权利要求4所述的测量led芯片光提取效率及内量子效率的方法，其特征在于：所述步骤s3中led芯片在相同电流密度下外量子效率e
n
的测量方法为在led芯片第一电极与第二电极之间施加电流i，采用半导体分析测量仪测量led芯片的光功率p，及发光波长λ；由公式计算出led的外量子效率en，n组芯片的实际外量子效率分别为e1、e2、e3、
…
e
n
。

技术总结
本发明公开了一种测量LED芯片光提取效率及内量子效率的方法，实现方案是：测量至少三个不同x


技术研发人员：吴小明 林前英 陈湘婷
受保护的技术使用者：南昌硅基半导体科技有限公司
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/8/1