微納光學在LED芯片中應用研究的綜述

引言

自1991 年GaN 藍光LED 面世后，GaN 基LED近幾年來發(fā)展迅速。目前，高效率GaN 基LED 已經(jīng)被廣泛地用于全彩顯示屏、固態(tài)照明、液晶顯示器背光源等方面。LED 以其壽命長、耗電小、環(huán)保、耐沖擊、抗震等優(yōu)點，LED 照明市場增長快速[1]。但是，由于在半導體和空氣之間折射率的差異造成的全反射而導致LED 表面的光提取效率較低[2，3]，典型的GaN 半導體材料折射率為2. 5，由全反射定律得知，光線從半導體逸出到空氣中全反射角的臨界值為24°角[4]，故大于24°的光線都無法從半導體材料中逸出。因此，全反射在很大程度上影響了LED 的光提取效率。因此，如何減少全反射，改善LED 的光提取效率成為如今研究熱點之一[5]。本文主要介紹了對LED 芯片表面或芯片內(nèi)部的幾種微結(jié)構(gòu)的加工，它們都能夠起到提高LED 出光效率的作用。

1 LED 表面微結(jié)構(gòu)技術

傳統(tǒng)的GaN 基LED 是利用化學氣相沉積( MOCVD) 技術在560°C 左右的藍寶石基底上分別沉積摻雜Si 的n 型GaN 材料和摻雜Mg 的p 型GaN材料，兩種材料之間形成量子阱( MQW) 。在p 型GaN 材料上再鍍上一層ITO 膜( 氧化銦錫) ，該金屬氧化物透明導電膜作為透明電極，其作用是增強電極出光亮度以及隔離芯片中發(fā)射的對人類有害的電子輻射、紫外線及遠紅外線等[6]。LED 的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

清華大學的張賢鵬等人[8]采用基于Cl2 /Ar /

BCl3氣體的感應耦合等離子體( ICP) 刻蝕技術制作了p-GaN 表面具有直徑3μm、周期6μm 的微結(jié)構(gòu)。該微結(jié)構(gòu)將GaN 基藍光LED 芯片的光熒光效果提高了42. 8%，并且在LED 器件注入電流為20mA 的情況下，將芯片正面出光效率提高了38%，背面出光效率提高了10. 6%。

加州大學的Schnitzer 等[7]對LED 芯片進行表面微結(jié)構(gòu)處理的做法是利用自然光刻法將LED 芯片的出光表面做一個粗糙化處理，使得LED 芯片的出光表面變得粗糙不均勻，粗糙化后的芯片結(jié)構(gòu)如圖2 所示。如圖3 所示，當光波傳遞到不均勻表面時，由于粗糙表面的光散射，這樣，半導體內(nèi)更多的光可以傳播到空氣中。粗糙化的LED 芯片其出光效率可以達到約16. 8%，而一般的環(huán)氧樹脂封裝LED 的光取出效率非常低，僅能達到4% 左右[1]。粗糙化后的LED 芯片結(jié)構(gòu)在SEM 下掃描結(jié)果如圖4 所示。

2 LED 芯片表面雙層微結(jié)構(gòu)技術

LED 芯片表面雙層結(jié)構(gòu)指的是在p 型GaN 半導體上出光表面和ITO 透明導電電極的上表面各加工上一層微結(jié)構(gòu)。這種雙層微結(jié)構(gòu)的LED 芯片的出光效率較普通的LED 芯片提高了近40%。J. H. Kang 等人[11]設計的雙層微結(jié)構(gòu)LED 芯片的制作方法如圖5 所示，先在LED 芯片的p 型GaN 半導體材料上表面沉積一層200nm 厚的ITO透明導電膜( 如圖5( a) ) ，再用5% 的稀鹽酸浸泡約30s，由于稀鹽酸對ITO 膜的腐蝕作用，200nm 的ITO 薄膜將被腐蝕成直徑約為200nm 的ITO 納米導電球體( 如圖5( b) ) ，此時，微小的ITO 納米球作為后續(xù)蝕刻處理中的掩膜結(jié)構(gòu)，通過電感耦合等離子蝕刻( ICP) 后，由于納米球的保護作用，刻蝕后的芯片p 型GaN 材料的上表面形成紋理微結(jié)構(gòu)( 如圖5( c) ) ，最后在ITO 納米導電球體表面再沉積上氧化銦錫材料，從結(jié)構(gòu)上來說在LED 芯片的上表面形成一種雙層的微結(jié)構(gòu)[10]( 如圖5( d) ) 。

該雙層微結(jié)構(gòu)的頂視圖和截面圖用SEM 掃描圖如圖6 所示，從頂視圖上可以看出許多圓球形的ITO 納米球無規(guī)則的附著在ITO 透明導電膜之上，圖6 SEM 掃描得到的雙層微結(jié)構(gòu)LED芯片表面頂視圖和截面圖[10]形成第一層的微結(jié)構(gòu)。從截面圖上可以看出，p 型GaN 基材的表面也呈現(xiàn)不規(guī)則的凹凸不平整結(jié)構(gòu)，形成第二層的微結(jié)構(gòu)。

經(jīng)雙層微結(jié)構(gòu)加工之后的LED 芯片出光效率較未加工的LED 芯片提高了許多，如圖7 所示，加工微結(jié)構(gòu)后的芯片正面輸出光效率比未加工的芯片提高約70%，背面出光效率也比未加工的芯片提高約71. 5%。正面出光效率的增加是由于粗糙的表面導致出射光的散射效應，使得有更多的光朝著隨機方向傳播，有更多的光可以從上表面出射。而芯片背面的出光效率增強也是由于粗糙上表面對出射光的散射效應，使得由上表面反射至下表面的光也變得雜亂無規(guī)則，以此增強了下表面的出光效率[11]。

J. H. Kang 等人[11]通過對芯片進行雙層微結(jié)構(gòu)的加工，可以大幅度提升其光學性能，能夠得到比較好的外量子效率。但是該技術也有其缺陷，由于加工過程中的沉積和蝕刻都有比較大的隨機性。生產(chǎn)的重復性不好，并且由于對p 型GaN 半導體材料表面的粗糙化，難免會破壞LED 芯片中的p-GaN 層，影響了芯片的電學性能，由于微結(jié)構(gòu)的加工，芯片的方阻會有所提升。

3 LED 芯片表面二維光子晶體結(jié)構(gòu)的加工

光子晶體( Photonic Crystal) 即光子禁帶材料，是一類在光學尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工設計及制造的晶體[12]。由于晶粒之間存在的周期性，光子晶體間會出現(xiàn)類似于半導體禁帶結(jié)構(gòu)的光子帶隙( Photonic band gap) 。當電磁波在光子帶隙中傳播時，由于存在布拉格散射效應，故光子晶體具有調(diào)制相應波長電磁波的能力。1997 年，S. H. Fan 等人[13]首次研究了光子晶體對LED 自發(fā)輻射能量及空間分布的影響。光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖如圖8。

J. H. Kang 等人[11]通過對芯片進行雙層微結(jié)構(gòu)的加工，可以大幅度提升其光學性能，能夠得到比較好的外量子效率。但是該技術也有其缺陷，由于加工過程中的沉積和蝕刻都有比較大的隨機性。生產(chǎn)的重復性不好，并且由于對p 型GaN 半導體材料表面的粗糙化，難免會破壞LED 芯片中的p-GaN 層，影響了芯片的電學性能，由于微結(jié)構(gòu)的加工，芯片的方阻會有所提升。

3 LED 芯片表面二維光子晶體結(jié)構(gòu)的加工

光子晶體( Photonic Crystal) 即光子禁帶材料，是一類在光學尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工設計及制造的晶體[12]。由于晶粒之間存在的周期性，光子晶體間會出現(xiàn)類似于半導體禁帶結(jié)構(gòu)的光子帶隙( Photonic band gap) 。當電磁波在光子帶隙中傳播時，由于存在布拉格散射效應，故光子晶體具有調(diào)制相應波長電磁波的能力。1997 年，S. H. Fan 等人[13]首次研究了光子晶體對LED 自發(fā)輻射能量及空間分布的影響。光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖如圖8。