为进一步提高红光微型发光二极管(LED)阵列器件的能量利用效率,对倒装AlGaInP LED阵列器件的光电性能进行研究。首先,测试对比了垂直型和倒装型AlGaInP LED两种芯片结构的出光性能,表明倒装型LED具有更高的出光功率。其次,建立了倒装型LED阵列出光功率模型,计算得到了出光功率与环境温度、基底热阻的关系:随基底热阻增大、环境温度升高,AlGaInP LED阵列器件的出光功率逐渐降低,出光饱和处对应的注入电流前移,光电性能逐渐下降。然后,采用转印法制备了6×6倒装AlGaInP LED阵列,测试结果表明,理论与实测结果较为一致。最后,利用有限元软件计算分析了Cu和聚二甲基硅氧烷(PDMS)这两种常见基底的热阻随环境、结构变化的数值关系。结果显示:Cu基底的散热较为均匀,优化基底结构或增加空气对流速率,对Cu基底热阻值的改变相对较小;PDMS材料的散热均匀性相对较差,通过优化基底结构、增大空气对流速率可以有效降低基底热阻,改善微型LED阵列器件的光电性能。

采用金属有机化学气相沉积系统外延AlGaInP发光二极管, 制备成面积小于12 mil×12 mil(300 μm×300 μm, 1 mil=25.4 μm)的芯片, 封装成裸晶结构并在50 mA、50 ℃加速应力环境下进行1008 h老化寿命实验, 研究外延结构中不同掺杂浓度的分布式布拉格反射镜(DBR)及分段掺杂P型层对小尺寸芯片老化性能的影响。结果表明：随着芯片尺寸缩小, 光衰幅度变大, 当芯片尺寸小于9 mil×9 mil(225 μm×225 μm)时, 通过提升DBR的掺杂浓度可以明显降低光衰幅度; 降低与过渡层相邻的P-Al0.5In0.5P薄层的掺杂浓度, 形成分段掺杂P型层, 通过降低第二段P-Al0.5In0.5P薄层的掺杂浓度, 可以进一步提升老化性能。尺寸为6 mil×6 mil(150 μm×150 μm)的芯片在50 mA、50 ℃环境下老化1008 h, 其光衰幅度可控制在-6%以内。

采用金属有机化学气相沉积系统外延了具有三个不同反射中心波长的AlAs/Al0.5Ga0.5As复合分布式布拉格反射镜(DBR), 利用透射电镜、X射线衍射仪表征其结构、厚度和组分, 利用白光反射谱表征其反射谱强度和带宽。结果表明：该复合DBR比常规DBR和两个反射中心波长复合DBR具有更高的反射谱强度和更宽的带宽。利用该复合DBR制备了AlGaInP发光二级管(LED), 尺寸6.0 mil×6.0 mil(1 mil=0.0254 mm), 并在20 mA测试电流下测得其输出光功率为3.54 mW, 发光效率为17.26 lm/W, 外量子效率为8.77%, 相比常规DBR制备LED输出光功率提高35.1%, 相比两个反射中心波长复合DBR制备LED输出光功率提高11.3%。说明具有三个反射中心波长的复合DBR更大幅度地提升了AlGaInP 发光二极管的出光效率。

对柔性GaAs基太阳电池的制备方法进行研究, 报道了一种用于制备柔性倒置生长的AlGaInP/AlGaAs/GaAs三结太阳电池的剥离和转移方法——金属背支撑选择性湿法刻蚀技术。在GaAs/GaInP选择性腐蚀的基础上进行了GaAs衬底层的腐蚀, 研究了不同类型和体积比的溶液对GaAs/GaInP/AlInP结构腐蚀的选择特性, 最终选用不同配比的H2SO4-H2O2系腐蚀液, 获得快速、可控制、重复性好的去除衬底的两步腐蚀法。原子力显微镜测试结果表明, 通过此方法能够成功地将电池外延层薄膜转移到Cu衬底上, 并且在剥离和转移过程中外延层薄膜没有受到损伤。柔性AlGaInP/AlGaAs/GaAs三结太阳电池的开路电压超过3.4V。

发光二极管(LED)微阵列芯片在工作时积累的热量使结温过高，进而对LED 微阵列芯片造成一系列不利影响，严重降低LED 微阵列芯片工作的可靠性，甚至造成永久性损坏。散热问题是制约LED 微阵列芯片工作性能提高的关键因素，是LED 微阵列芯片在制备过程中亟待解决的问题之一。利用有限元分析软件，针对AlGaInP 材料LED 微阵列建立了有限元模型，详细介绍了实体模型建立、网格划分以及边界条件的施加方法。瞬态分析了在脉冲电流驱动下，单个单元和3×3单元工作时阵列的温度场分布，以及温度随时间的变化规律。为了改善阵列芯片的散热性能，设计了一种热沉结构，模拟分析了热沉结构对阵列温度分布的影响。

对AlGaInP-LED微型阵列发光单元的内部自发热机制进行了分析, 并通过对具有回型上电极的发光单元的理论分析与计算, 得到了其内量子效率与注入电流的变化关系及器件温度与所加偏压的变化关系。为保证内量子效率取值范围大于85%, 得到了器件的最佳工作电流和最佳驱动电压范围以及微阵列各层结构在最佳驱动电压下的热阻分布。通过计算得出器件在2.2 V电压下, 从p-n结到外部环境的有效热阻为96.7 ℃/W。讨论了减小器件热阻的方法, 计算得出在理想情况下, 添加热沉结构后有效热阻降为30.6 ℃/W, 表明所设计的热沉结构对器件的散热起到了明显的改善作用。

设计了一种基于AlGaInP发光材料的像素为320×240、单元像素面积为100 μm×100 μm 微型LED阵列。通过仿真和分析, 设计了一种双条形电极结构。考虑到不同电极宽度下的电流分布情况以及电极的遮光效应, 设计了电极宽度为13 μm 的优化电极结构, 使得每个发光像素的表面出光面积比为50.15%, 并分析了电极对有源层出射的光的反射影响。制定了基于MOEMS工艺的微型LED器件的制作流程并进行了基本实验研究, 最终给出了制作出的上电极的单个单元照片。

针对AlGaInP DH-LED的pn结特性进行了理论分析, 得出电流密度J与电压V的关系。通过Matlab进行模拟分析, 结果表明: 当温度(300 K)一定时, 在电压较小的情况下, 电流密度成直线形式增大; 当电压增大到一定值时, 电流密度成对数形式增大; 当电压过大时, 电流密度几乎不增大。随着电压的升高, 器件产生焦耳热增多, 影响器件的工作特性, 最终缩短LED的寿命。综合考虑, 最后得出理论上的最佳发光驱动电压范围为2～2.33 V。

设计并制备了一种带有电流导引结构的新型倒装AlGaInP LED。实验结果表明，在20 mA直流电流注入下，器件的电压为2.19 V，输出光功率与普通倒装器件相比提高了17.33%。通过电流导引结构，使得器件注入电流被主动引导到电极以外部分，有效增大了上电极以外部分有源区中用于发光的有效载流子数目的比例，同时减轻了电流密度过大现象，大大提高了器件的出光效率。

介绍了一种利用盐酸、磷酸混合液对不同Al组分(AlxGa1-x)0.5In0.5P的选择性腐蚀特性对倒装AlGaInP红光LED进行表面粗化的方法。通过向粗化层GaInP加入适量的Al, 在Al组分为0.4时, 利用体积比为1∶10的HCl∶H3PO4可以得到横向尺寸约为60nm, 纵向尺寸约为150nm的最有利于出光的类三角圆锥型表面结构。器件测试结果表明, 在20mA注入电流下, 器件外量子效率比粗化前提高了80%。