微納光學(xué)在LED芯片中應(yīng)用研究的綜述

J. H. Kang 等人[11]通過(guò)對(duì)芯片進(jìn)行雙層微結(jié)構(gòu)的加工，可以大幅度提升其光學(xué)性能，能夠得到比較好的外量子效率。但是該技術(shù)也有其缺陷，由于加工過(guò)程中的沉積和蝕刻都有比較大的隨機(jī)性。生產(chǎn)的重復(fù)性不好，并且由于對(duì)p 型GaN 半導(dǎo)體材料表面的粗糙化，難免會(huì)破壞LED 芯片中的p-GaN 層，影響了芯片的電學(xué)性能，由于微結(jié)構(gòu)的加工，芯片的方阻會(huì)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(xué)尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工設(shè)計(jì)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(huì)出現(xiàn)類似于半導(dǎo)體禁帶結(jié)構(gòu)的光子帶隙( Photonic band gap) 。當(dāng)電磁波在光子帶隙中傳播時(shí)，由于存在布拉格散射效應(yīng)，故光子晶體具有調(diào)制相應(yīng)波長(zhǎng)電磁波的能力。1997 年，S. H. Fan 等人[13]首次研究了光子晶體對(duì)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(guò)對(duì)芯片進(jìn)行雙層微結(jié)構(gòu)的加工，可以大幅度提升其光學(xué)性能，能夠得到比較好的外量子效率。但是該技術(shù)也有其缺陷，由于加工過(guò)程中的沉積和蝕刻都有比較大的隨機(jī)性。生產(chǎn)的重復(fù)性不好，并且由于對(duì)p 型GaN 半導(dǎo)體材料表面的粗糙化，難免會(huì)破壞LED 芯片中的p-GaN 層，影響了芯片的電學(xué)性能，由于微結(jié)構(gòu)的加工，芯片的方阻會(huì)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(xué)尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工設(shè)計(jì)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(huì)出現(xiàn)類似于半導(dǎo)體禁帶結(jié)構(gòu)的光子帶隙( Photonic band gap) 。當(dāng)電磁波在光子帶隙中傳播時(shí)，由于存在布拉格散射效應(yīng)，故光子晶體具有調(diào)制相應(yīng)波長(zhǎng)電磁波的能力。1997 年，S. H. Fan 等人[13]首次研究了光子晶體對(duì)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(guò)對(duì)芯片進(jìn)行雙層微結(jié)構(gòu)的加工，可以大幅度提升其光學(xué)性能，能夠得到比較好的外量子效率。但是該技術(shù)也有其缺陷，由于加工過(guò)程中的沉積和蝕刻都有比較大的隨機(jī)性。生產(chǎn)的重復(fù)性不好，并且由于對(duì)p 型GaN 半導(dǎo)體材料表面的粗糙化，難免會(huì)破壞LED 芯片中的p-GaN 層，影響了芯片的電學(xué)性能，由于微結(jié)構(gòu)的加工，芯片的方阻會(huì)有所提升。中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文·LED照明

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(xué)尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工設(shè)計(jì)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(huì)出現(xiàn)類似于半導(dǎo)體禁帶結(jié)構(gòu)的光子帶隙( Photonic band gap) 。當(dāng)電磁波在光子帶隙中傳播時(shí)，由于存在布拉格散射效應(yīng)，故光子晶體具有調(diào)制相應(yīng)波長(zhǎng)電磁波的能力。1997 年，S. H. Fan 等人[13]首次研究了光子晶體對(duì)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。

光子晶體具有三種特性: 能夠利用光子帶隙遮蔽光; 具有異向性，通過(guò)光子晶體的光會(huì)無(wú)規(guī)則的散射; 光子晶體曲線變化非?？欤ㄩL(zhǎng)有關(guān)。光子晶體可分為三類: 一維、二維、三維結(jié)構(gòu)。一維的光子晶體只能在很小的角度范圍內(nèi)發(fā)出衍射光，不能衍射平面任意角度的入射光; 由于技術(shù)限制，制備符合規(guī)范的三維結(jié)構(gòu)光子晶體目前還比較困難。而二維光子晶體可以衍射較大角度上的入射光，因此目前主要用二維的光子晶體來(lái)提高LED 的出光效率[14]。影響其出光效率的主要因素有光子晶體結(jié)構(gòu)、晶粒高度、晶格常數(shù)等。

利用光子晶體結(jié)構(gòu)提高LED 出光效率主要有兩種原理[15， 16]。第一是利用了光子晶體的禁帶效應(yīng)原理，禁帶效應(yīng)原理主要表現(xiàn)在: 頻率落在禁帶范圍內(nèi)的光子被禁止傳播，如果LED 芯片上集成了光子晶體結(jié)構(gòu)，當(dāng)LED 中導(dǎo)光模的頻率落在光子晶體的禁帶以內(nèi)時(shí)，光波將被耦合成在自由空間中的輻射模式，在這種情況下，可以大幅增加光的提取效應(yīng)。第二種是利用光子晶體的光柵衍射效應(yīng)。光子晶體構(gòu)成了一種類光柵的結(jié)構(gòu)，當(dāng)光束進(jìn)入p 型GaN 的表層的出射光和周期與光波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)墓鈻沤Y(jié)構(gòu)發(fā)生作用時(shí)，光波就會(huì)被調(diào)制，一些本來(lái)難以出射的光束被耦合成出射光，如圖9 所示，由于光柵衍射效應(yīng)，原本因全反射被限制在p 型GaN 半導(dǎo)體材料中的光束可以出射到空間中，則可以提高LED 芯片的出光效率和控制光的空間分布。其中，Chia-HsinChao 等人[17]研制的定向光提取光子晶體氮化鎵薄膜LED 輸出功率較無(wú)光子晶體的氮化鎵薄膜LED提高了多達(dá)77%，并且通過(guò)設(shè)計(jì)改善光子晶體的排布模式和晶格方向可以使LED 的出光限制在較小的范圍之內(nèi)。

目前主要的制造光子晶體結(jié)構(gòu)的技術(shù)有納米壓印光刻( NIL) 、電子束光刻( EBL) 、激光全息光刻法( LHL) [18]，通過(guò)光子晶體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，減少了光在LED 芯片內(nèi)的傳播和消耗，實(shí)現(xiàn)了LED 外量子效率的提高。光子晶體LED 的發(fā)光效率最多可以提高140%。

4 LED 雙光柵微結(jié)構(gòu)技術(shù)

在LED 中引入光柵微納光學(xué)結(jié)構(gòu)的方法可以有效地增強(qiáng)LED 芯片的出光效率。其中，利用單光柵結(jié)構(gòu)的LED 的光提取效率已有大幅提高，但由于一維光柵結(jié)構(gòu)只能衍射單個(gè)方向上的光[19]，沿著光柵方向傳播的光仍然被全反射效應(yīng)限制，出光效率仍然受到較大限制。

清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)室[20]設(shè)計(jì)了一種GaN 基的雙光柵微納結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)如圖10( a) 所示。其中第一個(gè)光柵G1加工在上表面的ITO 層上，第二個(gè)光柵G2刻蝕在GaN 層的下表面，兩個(gè)光柵的刻線方向相互垂直，這樣那些在G1處全反射的光線經(jīng)G2的光柵衍射后，使其入射角小于出射臨界角，再經(jīng)過(guò)G1輻射出去。其原理如圖10( b) 所示。因此，雙光柵結(jié)構(gòu)可以有效的提取因全反射而受限制的出射光。雙光柵結(jié)構(gòu)LED 可以提取出傳統(tǒng)LED 中大部分因全反射而無(wú)法出射的受限光，根據(jù)研究者的軟件評(píng)價(jià)結(jié)果可以表明，這種LED 的理論光提取效率可以達(dá)到48. 5%[20]，較傳統(tǒng)LED 高了約6. 3 倍。