led芯片取光結(jié)構(gòu)的研究

led芯片取光結(jié)構(gòu)的研究

0led芯片的熒光定量效率照明設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是積小、壽長(zhǎng)、光線效率、節(jié)能環(huán)保等。被認(rèn)為是繼路燈和照明設(shè)備之后的新一代綠色光源。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前照明用電占全球總用電量的19%,利用現(xiàn)有的LED高效照明解決方案至少可節(jié)約40%的能耗,每年可減少5.55億噸二氧化碳排放。然而,目前LED發(fā)光效率低,單燈功率不足,是限制LED應(yīng)用于普通照明的主要瓶頸。LED的發(fā)光效率取決于內(nèi)量子效率和外量子效率的乘積。隨著外延生長(zhǎng)技術(shù)和多量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)展,超高亮度發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率己有了非常大的改善,如波長(zhǎng)為625nm的AlGaInP基超高亮度發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率已接近100%,待提高空間不大。因此,芯片的外量子效率(或稱出光效率)幾乎決定了LED芯片的發(fā)光效率。LED芯片的取光結(jié)構(gòu)是提高芯片出光效率的有效途徑,取光結(jié)構(gòu)是指利用半導(dǎo)體或MEMS制造工藝,在LED芯片表面或內(nèi)部各界面加工出能改變光線傳播方向的微結(jié)構(gòu),使原本不能逸出芯片表面的有源層發(fā)出的光子逸出芯片表面,從而提高芯片出光效率。文中詳細(xì)論述了當(dāng)前LED芯片取光結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀,并分析了LED取光結(jié)構(gòu)未來發(fā)展的趨勢(shì)。1led的出光效率LED芯片出光效率低的主要原因之一是外延材料的折射率遠(yuǎn)大于空氣折射率,使有源區(qū)產(chǎn)生的光由于全內(nèi)反射不能從LED中有效地發(fā)射出去,從而導(dǎo)致LED的外量子效率很低。如對(duì)于目前應(yīng)用廣泛的GaN基LED,GaN的折射率為2.5,臨界角為23.6°,即只有入射角小于23.6°的光子能逃逸出LED,其余光子發(fā)生全反射最終被LED吸收。對(duì)于AlGaInP系LED,GaP的折射率為3.4,臨界角只有17°。根據(jù)Snell定律,有源區(qū)產(chǎn)生的光子只有將近1/(4n2)的部分能夠從表面或側(cè)面發(fā)射到體外(n表示半導(dǎo)體材料的折射率),對(duì)于GaN基LED,只有4%的光子能夠射出LED,采用環(huán)氧樹脂封裝后,也只有百分二十幾的光子能夠逃逸出去;對(duì)于AlGaInP系LED,只有2%的光子能夠逸出LED,采用環(huán)氧樹脂封裝后,發(fā)光效率也在10%以下。其余的光子因不能發(fā)射到體外,在體內(nèi)被吸收轉(zhuǎn)變成熱,導(dǎo)致器件性能下降。因此,如何提高LED的出光效率,是LED的關(guān)鍵技術(shù)之一。取光結(jié)構(gòu)是提高LED芯片出光效率的有效方法,其原理在于取光結(jié)構(gòu)能夠改變光線傳播方向,使大于入射臨界角而在芯片內(nèi)部發(fā)生全反射的光線逸出芯片表面,相當(dāng)于擴(kuò)大了逸出錐,原理如圖1所示。圖1中,①、②、③代表光線,光線②和③由于入射角大于臨界角發(fā)生全反射而不能逸出芯片,如圖1(a)所示;圖1(b)表示在芯片表面加工出取光結(jié)構(gòu)后,使光線②和③改變傳播方向而逸出芯片,從而使有源層發(fā)出的光子能夠有效地被取出,同時(shí)又不損傷材料的電學(xué)和光學(xué)特性。2關(guān)于綠色芯片的光結(jié)構(gòu)的研究為提高LED芯片的出光效率,國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究工作,已經(jīng)研究出多種取光結(jié)構(gòu)用于提高LED芯片的出光效率。2.1圖形襯底技術(shù)從芯片有源層發(fā)出的光,大約一半射向上方,一半射向下方。對(duì)于GaN基LED,一般用藍(lán)寶石作襯底,射向下方的光線只有極少部分被藍(lán)寶石襯底反射后回到上方射出,大部分由于全反射而被芯片內(nèi)部吸收。對(duì)于AlGaInP系LED,為了晶格匹配,選擇了GaAs作為外延生長(zhǎng)襯底,GaAs襯底的缺點(diǎn)是吸收光,大約有一半的光被襯底吸收。因此,如何使射向下方的光線逸出芯片,對(duì)提高芯片外量子效率起著至關(guān)重要的作用。解決的方法是使用圖形襯底技術(shù),圖形襯底提高出光效率原理如圖2所示。若是平面襯底,有源層向下發(fā)出的光經(jīng)襯底反射后,大部分在芯片內(nèi)部形成全反射而不能射出,如圖1(a)所示。如在基板表面分布一些表面微結(jié)構(gòu),則可改變向下發(fā)出的光線的反射方向,從而使光線逸出芯片,光的提取原理示意圖如圖2所示。Huang等用納米印壓光刻技術(shù)在GaN基LED基板上制備出納米孔陣列,如圖3所示,納米孔尺寸為240nm,間距為450nm。試驗(yàn)結(jié)果表明,在20mA的注入電流下,LED的輸出功率提高33%。Lee等用電感耦合型等離子體反應(yīng)離子刻蝕在藍(lán)寶石襯底上制備出圓錐體陣列,如圖4所示。在該襯底上制備出的GaN基LED,在20mA的注入電流下,輸出功率相對(duì)于傳統(tǒng)光滑襯底提高了35%。Wuu等使用硫酸和磷酸的混合溶液濕法刻蝕出具有金字塔圖形的藍(lán)寶石襯底,如圖5所示,相對(duì)于傳統(tǒng)的藍(lán)寶石襯底,輸出功率提高25%。在襯底上制備分布布拉格反射鏡是用得較多的另一種圖形襯底。有較高反射性能的分布布拉格反射鏡通常由一個(gè)1/4波長(zhǎng)的高、低指數(shù)重復(fù)周期選層所組成。分布布拉格反射鏡反射了射向下方的大部分光,最高反射率超過95%。Lin利用電子束蒸發(fā)器在波長(zhǎng)為400nm的近紫外InGaN/AlGaNLED基板上沉積了材料為SiO2-Ta2O5的分布布拉格反射鏡。結(jié)果表明,具有分布布拉格反射鏡的LED在20mA注入電流下,光輸出功率比傳統(tǒng)LED提高39%。2.2基于algainp基led芯片的表面粗化結(jié)構(gòu)如果LED的上窗表面是光滑的平面,即使非常透明,當(dāng)有源層發(fā)出的光向上傳播到上表面與空氣的界面處時(shí),由于半導(dǎo)體和空氣的折射率差異較大,全反射非常嚴(yán)重,只有很少一部分光線能夠逸出芯片。但如在芯片上表面加工出一些微細(xì)結(jié)構(gòu),則可大大提高出光效率,出光原理如圖6所示。這一技術(shù)被稱為表面粗化。Lee利用化學(xué)濕法刻蝕(磷酸和鹽酸的混合液,腐蝕20s)在AlGaInP基LED芯片上表面制備出類三角形的納米表面粗化結(jié)構(gòu),如圖7所示。經(jīng)過優(yōu)化的納米粗化結(jié)構(gòu),在20mA的注入電流下,LED輸出功率可提高80%。亦可通過控制LED芯片p-GaN的生長(zhǎng)溫度,在上表面p-GaN層生長(zhǎng)時(shí)自然形成表面粗化結(jié)構(gòu)。圖8是在850℃下金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積得到的LED表面粗化結(jié)構(gòu),具有這種表面粗化結(jié)構(gòu)的LED輸出功率可提高48.6%。Lin利用晶化刻蝕工藝在GaN基LED的n-GaN背面刻蝕出倒金字塔形的表面粗化結(jié)構(gòu),如圖9所示,具有這種結(jié)構(gòu)的LED的輸出功率可提高47%。樊晶美等通過在不同條件下濕法腐蝕激光剝離后的N極性面的GaN材料,獲得了表面粗化后的垂直結(jié)構(gòu)LED,研究了不同粗化形貌下器件光學(xué)性能的變化,得到最優(yōu)化的濕法腐蝕條件:經(jīng)由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%、溫度為60℃的KOH溶液腐蝕后,未封裝的垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的光提取效率增加了近1倍。劉思南等使用化學(xué)濕法腐蝕對(duì)AlGaInP基紅光LED窗口層GaP表面進(jìn)行粗化,結(jié)果表明,器件的外量子效率得到了約29%的提高。2.3側(cè)傾角板上的led芯片當(dāng)有源層發(fā)出的光傳播到芯片側(cè)面時(shí),如芯片側(cè)面是垂直的,則由于全反射,大部分射向側(cè)面的光線不能逸出,但如芯片側(cè)面有傾角,則這些光子可能逸出芯片內(nèi)部,如圖10所示。這樣,射向芯片側(cè)面的光線被提取出來,從而提高出光效率。Kao用電感耦合反應(yīng)離子刻蝕制備出側(cè)面傾角為22°的LED芯片。與標(biāo)準(zhǔn)芯片相比,該芯片將輸出功率從3mW提高到5mW,提高70%。Hui用激光微加工技術(shù)制造具有50°側(cè)向傾角的LED芯片(如圖11),再在側(cè)面鍍上一層高反射率的銀膜。這種LED芯片通過傾斜側(cè)面銀膜的多次反射,使光子返回到逸出錐,從而能夠取出被標(biāo)準(zhǔn)芯片的GaN層和襯底吸收的光線。結(jié)果表明,在30mA的注入電流下,該芯片輸出功率由標(biāo)準(zhǔn)芯片的2.6mW提高到7.67mW,提高了195%。這表明,在LED芯片側(cè)面加工出一定的傾角,亦能大幅度提高出光效率。2.4垂直方向射出的光無論是圖形襯底、表面粗化技術(shù),還是改變芯片側(cè)面傾角,提高出光效率的基本原理都是將有源層發(fā)出的光集中到狹窄的逸出錐。除了把各向同性產(chǎn)生的光子引導(dǎo)到逸出錐外,也可利用光子晶體來提高光的提取效率。Baba認(rèn)為光子晶體提高LED輸出功率的原因主要在于以下3個(gè)方面:一是光子晶體類似“稀釋的半導(dǎo)體”,具有較低的折射率,從而擴(kuò)大了逸出錐;二是由于光子晶體的衍射和強(qiáng)烈的散射作用,使得側(cè)向傳播的光改變傳播方向,變?yōu)榇怪狈较蛏涑?如圖12所示;三是由于光子晶體的光子禁帶,橫向輻射被抑制。Baba制備出了如圖13的二維光子晶體,大幅提高了出光效率。Kim應(yīng)用激光全息技術(shù)在GaN基LED上窗表面制備出晶格常數(shù)為300、500、700nm的圓孔陣列二維光子晶體,如圖14所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,晶格常數(shù)為500nm的光子晶體提高輸出功率1倍以上。Kim用納米印壓光刻技術(shù)在GaN基綠光LED上表面制備圓孔陣列結(jié)構(gòu)光子晶體,結(jié)構(gòu)孔的直徑為93nm,晶格常數(shù)為328nm,該光子晶體使光輸出功率提高了78%。殷子豪等通過理論分析計(jì)算表明,表面覆蓋ITO層的六角排列圓形光子晶體能提高GaN基藍(lán)光LED出光效率2倍。陳健等研究了晶格常數(shù)為412nm、占空比為0.7的正方排列和六角排列的圓形光子晶體對(duì)出光效率的影響。無光子晶體時(shí),標(biāo)準(zhǔn)GaN基藍(lán)光LED出光效率大約為5%,引入正方和六角排列光子晶體后出光效率分別為30%和36%。陳依新等采用電子束光刻和感應(yīng)耦合等離子體干法刻蝕相結(jié)合的技術(shù),在AlGaInP系LEDGaP上刻蝕規(guī)則的可見光波長(zhǎng)量級(jí)的周期孔狀結(jié)構(gòu),即形成空氣-GaP組成的光子晶體。引入光子晶體后,LED的光提取效率及發(fā)光強(qiáng)度較常規(guī)LED平均提高16%。2.5微結(jié)構(gòu)及能量平衡圖形襯底、表面粗化、芯片側(cè)面傾角可分別將有源層發(fā)出的射向下方、上表面和側(cè)面的、原本發(fā)生全反射的光線改變傳播方向,引導(dǎo)到逸出錐射出芯片而被有效利用。實(shí)際上,這些技術(shù)可復(fù)合使用,更大程度提高出光效率。Kang比較了4種不同組合表面粗化結(jié)構(gòu)的出光效率。其中,樣品A是傳統(tǒng)LED芯片結(jié)構(gòu),樣品B是在ITO透明層上加工出半球狀的表面粗化結(jié)構(gòu),樣品C是在p-GaN層上加工出表面初化結(jié)構(gòu),樣品D是在p-GaN層和ITO透明層表面均加工出半球狀的表面初化結(jié)構(gòu)。研究表明,樣品B、C、D輸出功率比樣品A在20mA的注入電流下分別提高23.8%、45.6%和70%。提高的原因在于更多的光線被取出。這表明復(fù)合取光結(jié)構(gòu)能夠更大程度提高出光效率。Lee集成了圖形襯底、上表面印壓出金字塔或倒金字塔微結(jié)構(gòu),并在微結(jié)構(gòu)上加工出納米粗化結(jié)構(gòu)。圖15是表面經(jīng)過納米粗化處理的倒金字塔。結(jié)果表明,表面具有金字塔結(jié)構(gòu)的LED芯片與傳統(tǒng)芯片相比,輸出功率提高33%;納米粗化表面能進(jìn)一步提高輸出功率5%。Huang用濕法刻蝕方法在GaN基LED倒裝芯片藍(lán)寶石襯底上加工出傾斜的側(cè)面和粗化的表面(圖16)。測(cè)試結(jié)果表明,傳統(tǒng)倒裝芯片輸出功率為9.3mW,而該芯片的輸出功率為14.2mW,即外量子效率提高比傳統(tǒng)倒裝芯片提高52%。3多芯片集成封裝模塊取光結(jié)構(gòu)工藝改進(jìn)的展望LED芯片取光結(jié)構(gòu)的研究引發(fā)了制造、光學(xué)、材料等多學(xué)科交叉的科學(xué)問題,隨著LED芯片取光結(jié)構(gòu)研究的不斷深入,其深度和廣度進(jìn)一步拓展,并將在以下幾方面取得突破:(1)取光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造的一體化。目前對(duì)于取光結(jié)構(gòu)的研究還局限在找到一種取光結(jié)構(gòu)制造方法。利用這種方法在芯片的上窗層、襯底、側(cè)面等部位加工出一定的結(jié)構(gòu),然后測(cè)試基于這種結(jié)構(gòu)的芯片的出光效率。一方面,無法判定何種取光結(jié)構(gòu)具有較高的光提取效率,也不清楚取光結(jié)構(gòu)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù);另一方面,難以通過控制制造工藝參數(shù),獲得要求的取光結(jié)構(gòu)。因此,按功能要求設(shè)計(jì)取光結(jié)構(gòu),然后根據(jù)結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)進(jìn)行制造是該技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的方向,實(shí)現(xiàn)由功能需求設(shè)計(jì)取光微結(jié)構(gòu)特征參數(shù),并按要求控制取光結(jié)構(gòu)成形的目的。(2)取光結(jié)構(gòu)的復(fù)合化。目前還集主要中在各單項(xiàng)取光結(jié)構(gòu)及其制造。為獲得更高的出光效率,集成多種取光結(jié)構(gòu)的芯片將是未來的發(fā)展趨勢(shì)之一。難點(diǎn)在如何對(duì)多種取光結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合、設(shè)計(jì)和優(yōu)化以及研究出相應(yīng)的制造方法。(3)多芯片集成封裝模塊取光結(jié)構(gòu)的制造。單燈功率不足是限制LED用于普通照明的瓶頸之一,多芯片集成封裝是獲得大功率LED光源的有效途徑之一,通過將多個(gè)小尺寸芯片串聯(lián)或并聯(lián)可以獲得足夠的光通輸出。由于采用工藝成熟穩(wěn)定的小芯片集成,成本較低,有利于LED光源模塊在通用照明領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。但多芯片集成封裝同樣引發(fā)多個(gè)芯片發(fā)出的光在封裝模塊內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈的全反射而不能射出封裝模塊,最終被封裝材料、基板和芯片本身吸收,導(dǎo)致整體發(fā)光效率大幅下降。因此,如何設(shè)計(jì)、制造多芯片集成封裝模塊取光結(jié)構(gòu)是未來的研究方向。(4)取光結(jié)構(gòu)的高效低成本制造。盡管取光結(jié)構(gòu)能夠大幅提高芯片的出光效率,但是只有通過高效低成本的制造方法才能促使取光結(jié)構(gòu)在LED芯片中的