LED理论知识分享：LED芯片的电流扩展模型简介

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LED器件的发光原理

LED 是一种将电能直接转换成光的半导体器件，因其具有体积小、高光效、低能耗、长寿命、节能环保等优点，逐渐取代了传统的白炽灯和荧光灯，广泛应用于照明、背光、交通、畜牧业、农业等领域。它的核心发光部位是由两种不同类型的半导体材料形成的P/N结。将本征半导体通过掺杂不同浓度的杂质，而分别成为空穴为多数载流子的Ｐ型半导体和电子为多数载流子的Ｎ型半导体，由于浓度差的作用，载流子会自发的扩散，由于带电性相反，两种载流子在交界处复合就形成了P/N结，P/N结可以阻止在载流子的扩散运动，特别是多数载流子的扩散运动。如果给P/N结加上正向电压（P型半导体接电源正极，N型半导体接电源负极），注入的少数载流子扩散后与多数载流子复合产生能量，以光的形式释放出来，这样就把电能转化为了光能。

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图1 LED器件的发光原理

（原创图片）

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电流聚集效应

当接通外部电源，电流通过P、N电极注入芯片。电流在芯片内部垂直传导的距离为芯片外延层的厚度(通常为10微米左右)，电流横向传导的距离为两电极线间的距离。因此横向传导的电阻远大于垂直传导的电阻。所以，大部分电流聚集在芯片电极下方的有源区。然而，常用的芯片电极皆为不透光金属，其下方有源区的电致发光基本会被电极吸收，并产生大量的焦耳热，严重限制了LED器件的出光效率。

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图2 (a)同侧结构LED芯片在100 mA、150 mA 和 200 mA 注入电流下的有源区电流密度仿真结果图；(b)同侧结构LED 芯片在 100 mA、150 mA 和 200 mA 注入电流下的有源区热分布仿真结果图。

（图片来源：刘梦玲. 高电流扩展性GaN基LED芯片设计与制造技术[D]. 武汉大学.）

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电流扩展理论模型

1969 年Nuese等通过设置电流扩展层来增强芯片内部电流的横向扩展。电流从电极处注入后，在电流扩展层中得到较为充分的横向传输，从而到达电极没有覆盖的区域，极大地提高了LED 芯片的光提取效率。为了获得较好的电流扩展性能，尽量减少电流扩展层对光的吸收，通常电流扩展层具有低的方块电阻和高透明度。ITO薄膜具有高的透明度和良好的导电性且易于制备，作为透明导电层被广泛应用于GaN基同侧结构LED芯片中。

1999年，Eliasheevich等人通过理论与实验证明GaN的电导率对电流在LED器件中的均匀传输有着深远的影响。在电流横向传导的局部区域，由于电阻过大，电流的聚集效应严重影响了LED的器件性能。2000年，Kim等人研究GaN / InGaN多量子阱LED电流传输特性，通过建立物理模型提出电流在LED芯片内的扩展模型，如图3所示。Kim认为电流在LED有源区内扩展的两个极端路径分别为PathA 和PathB，只要PathA的总压降和PathB的总压降相同，即(VT)A=(VT)B，得出电流在 LED 有源区内可均匀扩展的条件如表达式。

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图3 GaN基LED芯片的电流扩展示意图

（图片来源：Kim H, Lee J M, Huh C, et al. Modeling of a GaN-based light-emitting diode for uniform current spreading[J]. Applied Physics Letters, 2000, 77(12): 1903-1904.）

如图4所示，基于Kim等人的研究结果，2001年Schubert和Guo等人认为N-GaN的面电阻远大于ITO层的接触电阻，并假定P-contact层电势相等，将LED器件的电流扩展模型进一步简化。基于有限元思想，将LED等效为许多压降为Vj(x)的小二极管，纵向电阻等于P-GaN电阻与P-contact接触电阻之和，N-GaN横向电阻被等效为无穷段dx电阻之和，如图(b)所示。

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图4 (a) 同侧结构GaN基LED芯片电流扩展示意图，(b)芯片等效电路图

图片来源：Guo X, Schubert E F. Current crowding and optical saturation effects in GaInN/GaN light-emitting diodes grown on insulating substrates[J]. Applied Physics Letters, 2001, 78(21): 3337-3339.

经过业内学者对LED芯片电流扩展模型的不断完善，如今，通过仿真软件（Crosslight、Silvaco等）可较为真实的模拟出电流在芯片内部的分布，从而指导工艺的改善和版图结构设计。

江西兆驰半导体，扎根红土地，深耕LED领域，以创新促发展。从传统LED照明领域出发，已实现红绿蓝三基色Mini-LED芯片量产，并积极布局Micro LED等高端产品领域。

文献引用

[1] 刘梦玲. 高电流扩展性GaN基LED芯片设计与制造技术[D]. 武汉大学.

[2] Kim H, Lee J M, Huh C, et al. Modeling of a GaN-based light-emitting diode for uniform current spreading[J]. Applied Physics Letters, 2000, 77(12): 1903-1904.

[3] Guo X, Schubert E F. Current crowding and optical saturation effects in GaInN/GaN light-emitting diodes grown on insulating substrates[J]. Applied Physics Letters, 2001, 78(21): 3337-3339.

[4] Wang, Li, Zhang, et al. Using a Multi-Layer Stacked AlGaN/GaN Structure to Improve the Current Spreading Performance of Ultraviolet Light-Emitting Diodes[J]. Materials, 2020, 13(2):454.

[5] Shen H T , Weisbuch C , Speck J S , et al. Three-dimensional modeling of minority carrier lateral diffusion length in InGaN blue/green and AlGaN ultraviolet C single quantum wells including random alloy fluctuations[J]. 2021.

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