Simulations and measurements of InGaAlP LEDs

Abstract

This work concerns the light extraction from InGaAlP LEDs. Two possible improvements are studied. Resonant cavity LEDs with a long cavity (optical path >> lambda) are simulated and improvements in light output are found, but with possibly unwanted effects, such as the spectrum splitting into different peaks at different wavelengths, on the emission pattern. Also, measurements are done on four different top electrode geometries, which are ranked with respect to light output. Grid-shaped electrodes are shown to outperform more concentrated designs.

Popular Abstract (Swedish)

Lysdioder används nuförtiden i många sammanhang, som indikatorljus, i trafikljus, till allmän belysning och i kommunikationstillämpningar. Lysdioder har flera fördelar som att man kan välja färg, att dom är stöttåliga men framförallt att dom är energisnåla, dom omvandlar effektivt elektrisk energi till ljusenergi.
En flaskhals när det gäller att utnyttja allt ljus som genereras i en lysdiod är att extrahera det från komponenten. När ljus som färdas i ett ”optiskt tätare” material träffar gränsytan mot ett ”optiskt tunnare” material kan, i vissa fall, ljusstrålen reflekteras istället för att fortsätta igenom ytan, det som kallas att strålen transmitteras. Reflektion inträffar när vinkeln mellan ljusstrålen och ytan är liten och transmission när vinkeln är stor. Vanligtvis använder man inte vinkeln mot ytan när man pratar om optik, utan man pratar istället om vinkeln mot normalen, en tänkt linje vinkelrätt mot ytan. Dessa vinklar hänger dock ihop, och när den ena är stor är den andra liten och vice versa. Hädanefter kommer jag använda vinkeln mot normalen. Vid vilken vinkel gränsen mellan reflektion och transmission går bestäms av materialen inblandade, och deras ”optiska täthet”, en egenskap som kallas materialets brytningsindex. Ju större kvoten mellan brytningsindex för materialet som ljuset faller in mot och brytningsindex för materialet som ljuset kommer från, desto mindre är gränsvinkeln, kallad kritisk vinkel. De halvledarmaterial man tillverkar lysdioder av har rätt höga brytningsindex, oftast över tre, och luft ett brytningsindex på ett. Den kritiska vinkeln blir därför rätt liten. Det ljus som produceras inne i en lysdiod sänds ut åt alla möjliga håll, och lika mycket i alla vinklar. Eftersom den kritiska vinkeln är liten, reflekteras en stor del av ljuset som alltså inte kommer ut ur komponenten. Det är bara en mindre andel som kommer ut. Det finns ett antal tekniker för att förbättra ljusextraktionen, d.v.s. hur stor andel av ljuset man får ut från komponenten. Den jag tittar på i det här arbetet är en som kallas Resonant Cavity Light Emitting Diode, eller RCLED.
Ljus är, som kanske är bekant, en vågrörelse. Vad som händer när ljusvågor överlappar beror på hur vågtoppar och -dalar i dom olika vågorna förhåller sig till varandra. I det ena extremfallet så sammanfaller vågtopparna och ljusvågen förstärks. I det andra fallet så sammanfaller vågtoppar på den ena vågen med vågdalar i den andra. Det som då sker är att vågen släcks ut. Vid mellanlägena sker en delvis utsläckning. Det är detta fenomen man utnyttjar i en RCLED. Man sätter speglar på botten och toppen av lysdioden, så att ljuset reflekteras fram och tillbaka och överlappar inne i lysdioden. Spegeln på toppen är inte hundraprocentigt reflekterande, så att man kan få ut ljuset. Väljer man lysdiodens längd rätt så kommer vågtopparna för ljus längs med normalen att sammanfalla och detta ljus förstärkas. Det fungerar ungefär på samma sätt som en resonanslåda för ljud gör. Väljer man diodlängden tillräckligt kort är det bara ljuset längs normalen som förstärks och ljus vid andra vinklar släcks ut, helt eller delvis. Ljuset längs med normalen ligger ju alltid innanför den kritiska vinkeln, så extraktionen förbättras. Vid längre längder kommer det dock finnas större vinklar där vågtopparna sammanfaller, och ju längre dioden är desto fler är dessa vinklar och de flesta kommer vara större än den kritiska vinkeln, så att förbättringen av ljusextraktionen blir sämre än för korta lysdioder. I mitt arbete undersöker jag genom simuleringar om man kan förbättra ljusextraktionen även för långa lysdioder genom att göra dom till RCLED-ar. Och det visar sig att det kan man, med lämpliga val av speglar. Det har dock viss påverkan på vilka våglängder ljuset som kommer ut består av, vilket kan vara olämpligt i vissa tillämpningar.
I arbetet ingår också mätningar på vanliga, d.v.s. inte RCLED, lysdioder med olikt formade elektroder. En lysdiodselektrod behöver ”tända” hela komponenten, samtidigt som den inte är för mycket i vägen för ljuset som ska komma ut. Hur elektroden ser ut visar sig ha stor betydelse, och det går att rangordna dom testade varianterna från bäst till sämst.

• author: Jönsson, Björn
• supervisor: Dan Hessman; Qin Wang; Ingemar Petermann
• organization: Solid State Physics; Department of Physics
• alternative title: Simuleringar och experimentella studier av InGaAlP-baserade lysdioder
• course: PHYM01 20152
• year: 2017
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering; Physics and Astronomy
• language: English
• additional info: Thesis work performed at Acreo.
• id: 8904543
• date added to LUP: 2017-03-14 16:48:30
• date last changed: 2017-03-14 16:48:30