發(fā)光二極管光取出原理及方法

發(fā)光二極管光取出原理及方法第1頁/共58頁2.1發(fā)光二極管光取出原理電光轉換效率(Wall-plugEfficiency)：半導體發(fā)光二極管的輻射發(fā)光效率，是光的輸出功率于輸入電流功率之比。Popt:光輸出功率；Cex：光取出效率；I與V分別為加在LED兩端的電流和電壓。因此，在輸入功率一定的情況下，要改進電光轉換效率就要改進內(nèi)部量子效率和高的光取出效率。第2頁/共58頁光在產(chǎn)生和輻射過程中的損失一般平面結構的LED都生長在具有光吸收功能的襯底上，以環(huán)氧樹脂圓頂形封裝。這種機構光取出效率可能低至4％左右。原因：一是電流分布不當以及光被材料本身吸收；二是不易從高折射率的半導體傳至低折射率的空氣第3頁/共58頁影響光取出效率的三個原因1，材料本身的吸收。解決措施：厚的窗口層（windowlayer）或電流分布層使電流均勻分布并增大表面透過率；用電流局限技術（CurrentBlocking）使電流不在電接觸區(qū)域下通過；用透明或不吸光的材料做襯底或者在活性層下設置反射鏡將光反射至表面2，菲涅爾損失：當光從折射率為n1的某種物質(zhì)到折射率為n2的某種物質(zhì)時，一部分光會被反射回去。菲涅爾損失系數(shù)為若n1=3.4,n2=1,則，也就是70.2％的光可以投射半導體與空氣的界面第4頁/共58頁3，全反射損失：只有小于臨界角內(nèi)的光可以完全被射出，其他的光則被反射回內(nèi)部或吸收。解決措施：一般情況下用環(huán)氧樹脂做成圓頂（SemisphericalDome），放在LED芯片上，可以大大增加臨界角，但是制造成本同時增加第5頁/共58頁一種經(jīng)濟的減少全反射的方法是將p-n結用環(huán)氧樹脂包封起來，利用模具可以很方便地澆鑄成半球形封帽。如下圖所示，目前工業(yè)化生產(chǎn)地單體發(fā)光二極管多采用類似結構第6頁/共58頁2.2增加光取出率的方法增加光取出率，首先要增加內(nèi)部量子效率，希望能達到99％左右。然后需要改進內(nèi)部結構以利于電流分布以及減少光吸收。2.2.1增加內(nèi)部量子效率1、采用最佳活性層對InGaN/GaN量子阱而言,大部分注入電子被俘獲并限制在阱層,這些被俘獲的電子被電場加速到高能量,使場離化,離化的空穴與電子復合,產(chǎn)生光子.但是那些未被俘獲并限制于阱層的電子將形成漏電流.第7頁/共58頁惠普公司采用4個50nm厚的AlInGaN/GaN量子阱，發(fā)現(xiàn)其發(fā)光效率要比在同等厚度下的非量子阱活性層效率高30％。下圖是南昌大學教育部發(fā)光材料國家重點實驗室制備的InGaN/GaN量子阱，數(shù)目為5個第8頁/共58頁Si(111)襯底上的InGaN/GaNMQW的TEM

(a)明場像;(b)高分辨像從圖中可以看出量子阱為5個周期,且阱(InGaN)和壘(GaN)界面明銳,表明生長的量子阱結構質(zhì)量良好;圖

(b)是該樣品InGaN/GaNMQW的高分辨像,由于In原子對電子的原子散射因子比Ga原子的大,黑色條紋為阱(InGaN),白色條紋為壘(GaN).從圖中觀察,阱和壘的厚度較為均勻,由標尺量得阱(InGaN)層厚約為2nm,壘(GaN)層厚約為815nm,第9頁/共58頁外延在異質(zhì)襯底上的GaN失陪位錯和線性位錯密度一般位，其他的晶體缺陷包括晶界、堆垛層錯，這些缺陷都是非復合中心。會在帶隙中引入能量態(tài)和降低少數(shù)載流子的壽命。缺陷會提高器件的閾值電壓和反向漏電流，降低載流子遷移率和熱導率。這些不利效應將阻止理想性能的復雜結構的、大面積大功率器件的制備2改進材料的質(zhì)量第10頁/共58頁2.3改進內(nèi)部結構1、改善電流分布藍光LED外延層由沉積在藍寶石襯底上的N型GaN、InGaN/GaN多量子阱和頂層的P型GaN構成。電子和空穴在作為發(fā)光區(qū)的量子阱里結合產(chǎn)生光子。光子經(jīng)過P型的透明或半透明電極，透射出LED器件。GaN和相關的半導體材料被看作是制作藍光和紫外波段的LED最為合適的材料為提高出光效率和空穴的均勻注入，P型GaN的透明導電薄膜是必不可少的。由于金屬薄膜低的透光率和在高注入電流下金的擴散，用傳統(tǒng)的金屬薄膜作為P型GaN歐姆接觸的LED出光效率低、穩(wěn)定性差。如半透明的Ni/Au薄膜的透光率大約只有60一75%。解決這個問題的一個可行方法是用透明的ITO薄膜代替Ni/Au薄膜作為P性GaN的接觸層。ITO具有硬度好、化學性質(zhì)穩(wěn)定、導電性好和低的光吸收系數(shù)。并且，ITO薄膜和GaN之間附著好。由于這些特性，ITO是很有前途的P型GaN的電極材料。第11頁/共58頁第12頁/共58頁ITO薄膜在可見光波段具有很好的透光率，尤其在波長為460nm處，透光率為95.5%。相比之下，Ni/Au薄膜在460nm波段處，透光率只有60一75%。ITO氧化物其禁帶寬度(即能隙)在E=3.5eV，所以可見光(1.6~3.3eV)的能量不足以將價帶的電子激發(fā)到導帶。自由電子在能帶間遷移而產(chǎn)生的光吸收，在可見光的范圍不會發(fā)生，ITO對可見光透明第13頁/共58頁從圖3一5中可以看出在高電流時，ITO的P型接觸的具有更高的輸出光功率和更好的光電轉換效率。在驅動電流為20mA時，ITO的P型接觸的LED的光輸出功率為5mw，而Ni/Au的只有3mw。因此，ITO工藝的LED相對于Ni/Au工藝的光輸出功率提高了60%。第14頁/共58頁補充：LED發(fā)光機制1、p-n結注入發(fā)光p-n結處于平衡時，存在一定的勢壘區(qū)，其能帶如圖。如加一正向偏壓，由于勢壘區(qū)載流子濃度很小，電阻很大，外加電壓基本降落在勢壘區(qū)，削弱了勢壘區(qū)的內(nèi)建電場，勢壘減小。p-n結注入發(fā)光能帶圖第15頁/共58頁載流子的擴散和漂移之間的平衡被打破，擴散流大于漂移流，即產(chǎn)生電子由n區(qū)注入p區(qū)和空穴由p區(qū)注入n區(qū)的凈擴散流，如圖所示。這些進入p區(qū)的電子和進入n的空穴都是非平衡少數(shù)載流子，非平衡少子邊擴散邊與多數(shù)載流子復合而發(fā)光，經(jīng)過比擴散長度大幾倍的距離后，全部被復合，這段區(qū)域稱為擴散區(qū)，這就是p-n結中的非平衡載流子注入發(fā)光。第16頁/共58頁2、異質(zhì)結注入發(fā)光為了提高少數(shù)載流子的注入效率，可以采用異質(zhì)結。圖19（a）表示理想的異質(zhì)結能帶示意圖。當加正向偏壓時，勢壘降低。但由于p區(qū)和n區(qū)的禁帶寬度不等，勢壘是不對稱的。加上正向偏壓，如圖19（b），當兩者的價帶達到等高時，p區(qū)的空穴由于不存在勢壘，不斷向n區(qū)擴散，保證了空穴（少數(shù)載流子）向發(fā)光區(qū)的高注入效率。第17頁/共58頁對于n區(qū)的電子，由于存在勢壘ΔE（=Eg1-Eg2），不能從n區(qū)注入p區(qū)。這樣，禁帶較寬的區(qū)域成為注入源（圖中的p區(qū)），而禁帶寬度較小的區(qū)域（圖中n區(qū)）成為發(fā)光區(qū)。例如，對于藍光LED中采用的InGaN-GaN異質(zhì)結，發(fā)光波長在460nm附近時，帶隙約為2.7eV，相當于InGaN的禁帶寬度。發(fā)光區(qū)（Eg2較?。┌l(fā)射的光子，其能量hv小于Eg1，進入p區(qū)后不會引起本征吸收，即禁帶寬度較大的p區(qū)對這些光子是透明的。因此，異質(zhì)結發(fā)光二極管中禁帶寬的部分（注入?yún)^(qū)）同時可以作為輻射光的透出窗，可以制成正面出光的LED第18頁/共58頁3、量子阱發(fā)光在禁帶較寬的GaN材料上異質(zhì)外延一層極薄的InGaN阱層，然后再異質(zhì)外延厚的GaN壘層，形成量子阱結構。如果不考慮這種結構中InGaN與GaN間電子和空穴交換而引起的能帶彎曲，則其能帶圖如圖20（a）所示，當外加電流注入時，電子發(fā)生遷移，掉入勢阱中，只要InGaN夾層足夠薄，其中的電子和空穴就可以視為處于量子阱中，如圖20（b）。第19頁/共58頁勢阱沿z方向很窄，電子在z方向被局限在幾個到幾十個原子層范圍的量子阱中，能量發(fā)生量子化，產(chǎn)生分立能級。電子在分立能級之間躍遷而輻射發(fā)光。第20頁/共58頁2生長分布布喇格反射層（DBR）結構DBR（distributedbraggreflector）結構早在20世紀80年代R.D.Burnham等人提出，如圖1所示。它是兩種折射率不同的材料周期交替生長的層狀結構，厚度一般為波長的1/4，它在有源層和襯底之間，能夠將射向襯底的光反射回表面或側面，可以減少襯底對光的吸收，提高出光效率.DBR結構直接利用MOCVD設備進行生長，無須再次加工處理。第21頁/共58頁第22頁/共58頁這樣，人們開始在LED中生長不同種類的DBR結構來減小襯底對光的吸收。材料的折射率與DBR的反射效果有直接關系，折射率差（Δn）越大，反射率R（p）越大，反射效果越好：DBR的周期數(shù)也與反射率成正比，式中的p是DBR的對數(shù)（pair），對數(shù)越高，反射效果越好。第23頁/共58頁3制作透明襯底LED（TS-LED）除了將光反射掉，另外一種減少襯底吸收作用的方法就是將LED的襯底換成透明襯底，使光從下底面出射。透明襯底可以在LED晶片生長結束后，移去吸光的n-GaAs襯底，利用二次外延生長出透明的、寬禁帶的導電層。也可以先在n-GaAs襯底片上生長厚50mm的透明層（比如AlGaAs），然后再移去GaAs襯底。這兩種技術的問題在于透明層的價格昂貴,難于生長，而且與高質(zhì)量的有源層之間匹配不好。第24頁/共58頁另外一種技術就是bonding（粘合）技術。它是指將兩個不同性質(zhì)的晶片結合到一起，并不改變原來晶體的性質(zhì)。用選擇腐蝕的方式將GaAs襯底腐蝕掉后，在高溫單軸力的作用下將外延片bonding到透明的n-GaP上。制成的器件是GaP襯底–有源層–GaP窗口層的三明治結構。第25頁/共58頁允許光從六個面出射，因而提高了出射效率。根據(jù)1996年的報道，636nm的TS-LED外量子效率可以達到23.7%；607.4nm的TS-LED的發(fā)光效率達到50.1m/W。第26頁/共58頁3倒金字塔形LED這種方法旨在減小光在LED內(nèi)部反射而造成的有源層及自由載流子對光的吸收。光在內(nèi)部反射的次數(shù)越多，路徑越長，造成的損失越大。通過改變LED的幾何形狀，可以縮短光在LED內(nèi)部反射的路程。第27頁/共58頁這種新技術在1999年被提出。它是在透明襯底LED基礎上的再次加工。將bonding后的LED晶片倒置，切去四個方向的下角，如圖3（a）所示，斜面與垂直方向的夾角為35度。圖3（b）是橫截面的示意圖，它演示了光出射的路徑。LED的這種幾何外形可以使內(nèi)部反射的光從側壁的內(nèi)表面再次傳播到上表面，而以小于臨界角的角度出射。同時使那些傳播到上表面大于臨界角的光重新從側面出射。這兩種過程能同時減小光在內(nèi)部傳播的路程。第28頁/共58頁4表面粗化技術光波在密度均勻介質(zhì)中傳播時，次波相干迭加的結果是遵循幾何光學定律的光線。機理：將LED的表面做得適當粗糙，其粗糙尺度大約在出射光的半波長，當光射到這個不均勻的媒體介質(zhì)表面時，即使在角度大于臨界角的情況下，光線也不一定被全反射，射到表面的光以一定概率以隨機的角度散射出來目的：透射率的增加被認為是表面粗糙化的主要功能,優(yōu)化的表面粗糙(430nm球狀起伏表面)可使出光效率達到54%.第29頁/共58頁ITO表面粗化工藝是:用光刻膠對部分ITO表面進行保護，接著用等離子體干法刻蝕對ITO表面進行粗化。實例：ITO表面粗化對出光效率的影響第30頁/共58頁第31頁/共58頁第32頁/共58頁從圖中的數(shù)據(jù)可以看出在相同的條件下，表面粗化的LED芯片的發(fā)光強度明顯高于傳統(tǒng)的LED芯片。在20mA的驅動電流下，表面粗化的LED芯片的發(fā)光強度大約為120mcd，但傳統(tǒng)的LED芯片大約只有70mcd。ITO薄膜的表面粗化工藝使LED芯片的發(fā)光強度提高了70%。由于采用的是相同的外延片，因此表面粗化的LED芯片和傳統(tǒng)的LED芯片具有相同的內(nèi)量子效率。從而，可以推斷出，LED芯片的表面粗化工藝提高了芯片的出光效率。第33頁/共58頁當上述芯片用環(huán)氧樹脂封裝成LED燈時，表面粗化過的LED同傳統(tǒng)的相比仍然具有更高的發(fā)光強度，以及光的空間分布角度更大。環(huán)氧樹脂的折射率為1.5，而ITO的折射率為1.9。由于折射率的不同，粗化的ITO表面可以改變從LED到環(huán)氧樹脂的光路。這種光路的改變可以減少光在界面的內(nèi)反射幾率。第34頁/共58頁鍵合剝離技術AlGaInP和AlGaInN基二極管外延片所用的襯底分別為GaAs和藍寶石,它們的導熱性能都較差.為了更有效地散熱和降低結溫,可通過除掉原來用于生長外延層的襯底,將外延層鍵合轉移到導電和導熱性能良好的襯底上,如銅、鋁、金錫合金、氮化鋁等.第35頁/共58頁采用金屬鍵合技術制備InGaAlP/Si襯底照明LED芯片是一種價廉而有效的方式.制作工藝過程主要包括以下步驟:(1)在LED外延片的頂部淀積柵格狀的歐姆接觸層和高反射率的金屬層.為了在560—650nm波長范圍內(nèi)獲得較高的反射率,可以選擇Au,Al或Ag金屬材料;(2)將焊料層淀積在Si襯底上;(3)通過低溫焊料層將帶有金屬反射層的外延片鍵合到硅襯底上;(4)采用化學腐蝕或機械研磨加化學腐蝕的方法將吸光的GaAs襯底去掉;(5)在新裸露的底部淀積歐姆接觸并退火.第36頁/共58頁Osram利用外延片鍵合剝離技術移去具有吸光性的GaAs襯底材料外,又在鍵合界面制備倒裝金字塔形微觀反射結構和表面微結構,提升界面反光效率和正面出光效率,其618nm芯片的發(fā)光效率可達96—98lm/W,Wall-Plug效率為33%,在70mA驅動電流下,單芯片可發(fā)出12lm的光.

Osram倒裝金字塔形微觀反射結構AlInGaP基芯片第37頁/共58頁藍寶石襯底剝離技術鍵合剝離技術主要由3個關鍵工藝步驟完成:(1)在外延表面淀積鍵合金屬層如Pd100nm,以及在鍵合底板上如Si底板表面淀積一層1000nm的銦;(2)將外延片低溫鍵合到底板上;(3)用KrF脈沖準分子激光器照射藍寶石底面,使藍寶石和GaN界面的GaN產(chǎn)生熱分解,再通過加熱(40℃)使藍寶石脫離GaN.第38頁/共58頁

AlGaInN基LED芯片鍵合剝離關鍵工藝步驟第39頁/共58頁2003年,Osram運用鍵合、激光剝離、表面微結構化和使用全反射鏡等技術途徑,使其最新研發(fā)的ThinGaNTO－PLED芯片出光效率達到75%,在20mA驅動電流下,發(fā)光功率已達13mW(470nm),封成的白光二極管發(fā)光效率大于50lm/W,是傳統(tǒng)芯片的3倍.大功率照明LED芯片在350mA驅動電流下,芯片的發(fā)光功率達182mW(470nm),封成白光二極管后,產(chǎn)生43lm,發(fā)光效率約>40lm/W.第40頁/共58頁如果將芯片鍵合到Cu片上,再激光剝離藍寶石襯底,可使散熱能力提高4倍.Si的熱導率比GaAs和藍寶石都好,而且易于加工,價格便宜,是功率型芯片的首選材料.第41頁/共58頁5圖形化GaN基底上的二次外延在2μm左右的GaN外延片上,采用光刻和等離子體增強化學氣相淀積(PECVD)技術,可以獲得以SiO2為掩膜的周期性結構圖形(如正六邊形或長方形),圖形尺度在300—350μm左右,間距在50μm左右.然后在HVPE系統(tǒng)中選區(qū)生長,得到厚度約為50μm左右具有光滑表面的一個一個島狀結構,最后在MOCVD系統(tǒng)中生長LED結構.在這些孤立的島狀結構上直接制備LED器件(見圖).第42頁/共58頁

(a)長方形圖形化GaN基底上的二次外延的LED外延片表面SEM圖;(b)正六邊形圖形化GaN基底上的二次外延的LED外延片表面SEM圖;(c)正六邊形圖形化GaN基底上的二次外延的LED發(fā)光時的光顯圖第43頁/共58頁相對于常規(guī)結構的LED,此種島狀結構的LED發(fā)光波長平均紅移15－30nm(歸因于HVPE外延獲得較大晶格常數(shù)和較窄能帶的GaN),發(fā)光功率增加1倍(藍光)和6倍左右(紫光),發(fā)光功率增加的主要原因有HVPE外延厚膜中位錯密度降低導致內(nèi)量子效率提高,由于紫光對位錯更敏感,所以變化更大;島狀結構導致光出射效率ηex提高,正向壓降略有變化.第44頁/共58頁6圖形化藍寶石襯底

開槽藍寶石襯底(groovedsapphiresub2strates):在C面藍寶石襯底刻出條寬為2—3μm左右、間距4—8μm左右、深度60nm—1.4μm左右的周期性結構,然后在其上生長常規(guī)結構的LED外延片.相對無結構的藍寶石襯底的LED外延片,此開槽藍寶石襯底所生長的LED外延片側向外延,使得位錯密度降低,從而提高了外延片的晶體品質(zhì),相應的光學、電學性能也得到改善,實驗證實,陰極熒光譜(CL譜)和電致發(fā)光譜(EL譜)強度都有增強,EL(波長為465nm)強度增加25%—35%左右,飽和電流高,器件穩(wěn)定性好.第45頁/共58頁平面和開槽藍寶石襯底上外延的LED的L-I曲線第46頁/共58頁非條形的圖形化藍寶石襯底就是在藍寶石襯底上采用不同的光刻技術,形成周期性的尺度在10m之內(nèi)的圖形結構(如圓形、六邊形和長方形等).一方面,圖形化藍寶石襯底可以引入側向外延的外延特性,從而降低位錯密度,使得內(nèi)量子效率提高;另一方面,在器件采用倒裝結構時,藍寶石襯底中的周期性圖形有微透鏡的作用而將增加光出射效率ηex.第47頁/共58頁在間距和尺度都在3μm左右的圓形圖形化藍寶石襯底上生長LED外延片(見圖),采用激光剝離轉移到Cu熱沉上,倒裝器件結構,在波長為409nm,350mA下,發(fā)光功率比常規(guī)襯底上相同結構的LED提高39%.在六邊形圖形化藍寶石襯底上生長LED外延片,在波長為400nm,20mA下,發(fā)光功率和外量子效率分別為22.0mW和35.5%;在波長為460nm,20mA下,發(fā)光功率和外量子效率分別為18.8mW和34.9%.第48頁/共58頁

園形圖形化藍寶石襯底:(a)示意圖和AFM圖;(b)LED外延結構示意圖和剖面透射電鏡觀測圖;第49頁/共58頁(c)LED器件示意圖和器件表面掃描電鏡觀測圖第50頁/共58頁7提高載流子注入效率ηj的方法由于空穴的遷移率和擴散長度遠遠小于電子,因此提高載流子注入效率ηj的方法主要是提高空穴的注入和降低電子的泄漏.具體方法有:優(yōu)化p-GaN的生長;在MQW前插入電子隧穿勢壘層ETB;在MQW的量子勢壘層中,加入適量Al并優(yōu)化電子阻擋層的設計.第51頁/共58頁優(yōu)化p-GaN的生長主要是提高空穴的遷移率,使得空穴能夠有效地注入到更多的量子阱中參與發(fā)光;電子隧穿層ETB一般為n-AlGaN,當注入的電子穿過ETB勢壘層時,可以降