（光学工程专业论文）提高led外量子效率方法的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 g a n 基l e d 具有节能、寿命长、体积小等优点，被视为下一代照明器件，受 到人们广泛的关注。由于l e d 芯片折射率与空气折射率的巨大差别，使得光提取 效率成为影响l e d 性能提高的最关键因素之一。因此，如何提高l e d 光提取效率 成为近年来的研究热点。 本文通过对双光栅结构氮化镓基l e d 的理论研究和仿真实验优化研究，提高 了氮化镓基l e d 的外量子效率。作者对实验方案做了理论分析，模拟了光线在氮 化镓基l e d 的传播。采用蒙特卡罗方法、光线追迹法和光栅衍射理论计算了氮化 镓基l e d 的光提取效率，通过数值计算模拟，计算不同的光栅槽深、周期及吸收 系数对l e d 光提取效率的动态影响，得到了一些有益的研究结果： f 1 1 当固定光栅周期，g a n 材料吸收系数，仅变化光栅槽深时，光提取效率曲 线随槽深增大呈类似周期性余弦变化；当固定光栅槽深，g a n 材料吸收系数，仅 变化光栅周期时，周期的最理想的尺寸应该与光在g a n 或i t o 中的波长相比拟； 传统平板型g a n 基l e d 光提取效率随吸收系数增大而减小的幅度要较双光栅结构 的小。 2 1 从理论上得到了最佳的透射光栅槽深和周期、反射光栅槽深和周期的设计 参数，通过数值计算模拟，理论上光提取效率可以提高3 倍以上，由此实现对光 栅槽深，光栅周期及g a n 光吸收系数进行优化设计的目的，并对本课题的研究工 作进行了总结，指出了新的工作方向。 关键词：发光二极管( u d ) ；外量子效率；光栅衍射理论；蒙特卡洛；光线追迹 江苏大学硕士学位论文 w i t ht h ea d v a n t a g eo fe n e r g ys a v i n g ，l o n gl i f e t i m e ，a n ds m a l ls i z e ，l i g h t e m i t t i n g d i o d e s ( l e d s ) i sc o n s i d e r e da sar e v o l u t i o n a r yl i g h ts o u r c eo fn e x tg e n e r a t i o na n d a t t r a c tw i d ea t t e n t i o n d u et ot h er e f r a c t i v ei n d e xd i f f e r e n c eb e t w e e nc h i pa n da i r , t h e l i g h te x t r a c t i o ne f f i c i e n c y ( l e e ) b e c o m e sa ni m p o r t a n tf a c t o ro fl e dp e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n ta n dar e s e a r c hh o t s p o ti nr e c e n ty e a r s i nt h i sa r t i c l e ，t h et h e o r ya n do p t i m i z a t i o no ft h eg a n b a s e dl e d 、耐t hd o u b l e g r a t i n g si ss t u d i e dt oi m p r o v et h ee x t e r n a lq u a n t u me f f f i c i e n c y , a n dt h em o n t ec a r l o ，r a y t r a c i n ga n dg r a t i n gd i f f r a c t i o nt h e o r ya r ea p p l i e dt os i m u l a t et h et r a n s m i s s i o n ，c a l c u l a t e t h ee x t r a c t i o n e f f i c i e n c y , a n dt h e n , t h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i n g d i f f e r e n tg r a t i n gg r o o v ed e p t h ，p e r i o d ，a n dt h ea b s o r p t i o nc o e f f i c i e mt oa n a l y z et h e d y n a m i ce f f e c t so ft h el e dl i g h te x t r a c t i o ne f f i c i e n c y , s o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sw e r e g o t t e n ： 【1 】x 蹑h e nt h eg r a t i n gp e r i o da n d g a nm a t e r i a la b s o r p t i o nc o e f f i c i e n ta r ef i x e d ，l i g h t e x t r a c t i o nc h a n g ea ss i m i l a r p e r i o d i c c o s i nw i t ht h ei n c r e a s eo fg r a t i n gg r o o v e d e p t h ；w h e nt h eg r a t i n gg r o o v ed e p t ha n dg a nm a t e r i a la b s o r p t i o nc o e f f i c i e n ta r e 缸e d ，t h ep e r f e c tg r a t i n gp e r i o di ss i m i l a rt ot h ew a v e l e n g t hi ng a no ri t o ；t h el i g h t e x t r a c t i o ne f f i c i e n c yo ft r a d i t i o n a ls l a bl e dd e c r e a s es l o w e rt h a ng r a t i n gs t r u c t u r el e d 、析t l lt h ei n c r e a s eo fg a nm a t e r i a la b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t 【2 】2 t h eo p t i m a ld e s i g np a r a m e t e r so ft h eg r a t i n gg r o o v ed e p t ha n dp e r i o db o t hi n t r a n s m i t t e dg r a t i n ga n dr e f l e c t e dg r a t i n gh a v eb e e no b t a i n e di nt h et h e o r y u n d e rt h e s e g r a t i n gs t r u c t u r e s ，t h el i g h te x t r a c t i o ne f f i c i e n c yc a l lb ei m p r o v e d b ym o r et h a n3t i m e s t h u si th a sr e a l i z e dt h eo p t i m a ld e s i g no ft h eg r a t i n gg r o o v ed e p t h ，p e r i o da n dl i g h t a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n to fg a n ，s u m m a r i z e dt h er e s e a r c hw o r ko ft h i ss u b j e c t ，a n dd e f i n e d t h er e s e a r c hd i r e c t i o n s k e y w o r d s ：l i g h t e m i t t i n gd i o d e s ：e x t e r n a lq u a n t u me f f i c i e n c y ：g r a t i n gd i f f r a c t i o n ： m o n t ec a r l o ：r a yt r a c i n g 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密团。 学位论文作者签名： 年月 日 指导教 乃f d 年 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： l 升 飞弋夕0 日期：少q 年月c 。日 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，l e d ) 于1 9 6 0 年的问世，l e d 开始运用 在我们的周围环境中，不仅可以用来提升生活品质，它在我们的日常生活更是扮 演着举足轻重的角色，如各种指示灯、显示器光源以及照明设备等都可以看到l e d 的应用。以砷化镓( g a a s ) 、磷化铝铟镓( a i g a l n p ) 材料为基板之发光二极管，实现 了红光至黄绿光波段的电磁发光。近年来，氮化镓( g a r 0 、氮化铝( a 1 n ) 、氮化 铟( i n n ) 等- v 族半导体材料由于具有直接能隙( d i r e c tb a n d g a p ) 的特性，并且 可以透过这三种材料彼此成份的调节，来形成三元( t e r n a r y ) 或四元( q u a t e r n a r y ) 的化合物半导体，其能隙( b a n d g a p ) 可以由2 0e v 到6 5e v t l l ，而其所对应的发 光波长可以从红光到深紫外光波段，因此广泛地被运用在发光二极管( l i g h t e m i t t i n gd i o d e ，l e d ) 、激光二极管( l a s e rd i o d e ，l d ) 等光电元件。 日本的n i c h i a 公司于1 9 9 3 年成长氮化镓蓝光发光二极管在蓝宝石基板上， 并且大量地生产更高效率的蓝、绿光发光二极管，使得红、蓝、绿光发光二极管 全彩化的梦想得以实现。相较于传统型照明光源如：荧光灯、白炽钨丝灯泡等， 发光二极管拥有的优势有：环保性佳、体积小、寿命长、低电压电流操作等特点， 有益于发光二极管具有以上的优势，在极重视环保以及节约能源的文明社会生活 中，其应用市场可以涵盖汽车车头灯、交通信号灯、景观照明以及手机、数码相 机、l e d 背光源，未来更期许发光二极管能够成就固态照明的梦想。 1 2g a n 基l e d 发展概况 g a n 基l e d 的发展已有3 0 多年的历史，近十几年来，从日亚公司的n a k a m u r a 研制出了第一只高亮度的g a n 基蓝色l e d 实现全彩化田，到1 9 9 6 年成功开发出 白色l e d ，从传统的蓝宝石衬底g a n 基l e d 到硅衬底g a n 基l e d 的发展，人们 江苏大学硕士学位论文 看到了半导体照明技术的光明前景。 1 2 1g a n 材料及其发光器件的发展 g a n 材料最早是由j o h n s o n 等【3 1 于1 9 2 8 年用n h 3 和金属g a 合成的g a n 粉末。此 后几十年又有人陆续合成g a n ，并对其晶体结构、晶格常数和光谱进行了研究f 够】。 g a n 单晶材料最早是p a n k o v e i ! | 勺两个助手m a m k a 和t i e t j e n 用h v p e 方法在蓝宝石 衬底上生长的【6 】。由于蓝宝石衬底与g a n 之间存在较大的晶格失配和热失配，使得 g a n 多 i 延膜通常处于高应力状态下，导致o a n 夕b 延膜严重龟裂。随后他们对g a n 材 料进行了掺杂以及光学性能的研究，并制备出第一支m i s 结构的蓝色发光二极管 【刀。它的成功激起了人们对g a n 材料研究的极大兴趣。 上世纪八十年代末由于a k a s a k i 8 】引入了低温缓冲层技术，使生长在蓝宝石衬 底上的g a n 单晶膜质量大大提高，表面无龟裂、背景载流子浓度下降、载流子迁移 率提高，发光性能也大大改善，并成功的获得t p 型g a n 材料。他们用m o v p e 方法 对g a n 掺m g ，并用低能电子束辐照( l e e b i ) ，发现g a n 掺m g 实现了p 型电导，制备 出世界上第一支g a n 基p n 结发光二极管【9 】。 而后日亚公司的n a k a m u r a 改用g a n 作缓冲层，也获得了如镜面的表面和更优 越的电学性能【1 0 l ，并制备出了第一支可以实用化g a n 蓝光l e d 1 1 】。此后n a k a m u r a 在氮化物研究领域一路丰收：1 9 9 2 年他在n 2 气氛下对掺m g 的g a n 膜进行退火处理， 获得了很好的p 型g a n 材料【1 2 1 ；同年又在g a n 单晶膜上生长出了高质量的 i n g a n ；1 9 9 3 年制作出了亮度超过1 0 0 0 m c d 以i n g a n 为有源层的双异质结的蓝光 l e d ；1 9 9 5 年通过控s u i n g a n 中的h l 组份，获得了发光波长从5 0 0 n m 至u 5 9 0 m 的蓝绿、 纯绿和黄绿l e d ，其中绿光l e d 亮度达1 2 c x l ，还利用蓝色发光芯片涂覆黄色荧光 粉技术，得到了白光l e d 1 3 1 。日亚公司于2 0 0 6 年6 月开始供应1 0 0 l i n w 的白光l e d 样品。到目前为止其最高水平为1 3 0 l m 网。 1 2 2 硅衬底g a n 基l e d 的发展 g a n 材料在异质外延时，其质量受衬底的影响很大。在选择衬底材料时，通常 要考虑晶格常数、热膨胀系数、组成、稳定性、化学性能和电学性能等因素。因 为这些因素会严重影响外延层的性能，并且不同的衬底材料会最终决定后续的很 多器件工艺路线。目前普遍采用蓝宝石和s i c ，但是由于成本高且难以得到大尺寸 2 江苏大学硕士学位论丈 的单晶，更重要的是由于其制造技术基本被日亚和c r e e 公司垄断，所以无法普遍使 用。相比之下，s i 衬底制备g a n 基材料有如下优点：- ( 1 ) s i 材料比s i c 和a 1 2 0 3 衬底便宜很多，且容易得到大尺寸单晶，这将大大降 低g a n # b 延材料的成本： ( 2 ) s i 可以导电，且基于s i 材料的芯片工艺技术非常成熟，这不仅可以降低成 本，还有利于快速扩大生产规模： ( 3 ) s i 的热导率高，可承受更高的功率密度，在半导体照明方面具有优势； ( 4 ) s i 基半导体器件非常成熟，可能实现发光器件和电子器件的单芯片集成。 1 2 3g a n 基l e d 的制造工艺 g a n 基u d 制造工艺大致可分为以下四个过程。 ( a ) 制造衬底。例女m a a s 、s i c 等。 制造发光二极管外延片。 制造途径有m b e ( m o l e c u l a rb e a me p i t a x y - 一分子束外延) , m o c v d ( m e t a l o r g a n i cc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n 金属有机气相沉积法) ，h v p e ( h y d r i d ev a p o r p h a s ee p i t a x y - 一氢化物气相外延法) 。 m o c v d i 艺方法【1 4 ，1 5 】由于生产设备相对简单，造价低，生长速度适中，可以 比较精确的控制膜厚，特别适合大规模工业生产，目前已经成为使用最多，生长 材料和器件质量最高的方法。 ( c ) 制造芯片 一般经过光刻，干法或者湿法腐蚀，做p 型和n 型电极，划片等过程。一片直 径两英寸的外延片可以力h t l 0 0 0 0 多个l e d 芯片。 ( d ) 封装成成品 l e d 的封装的任务的是将外引线连接到u d 芯片的电极上，同时保护好l e d 芯片，并且起到提高光取出效率的作用。关键工序有装架、压焊、封装。l e d 按 封装形式分类有l a m p l e d 、t o p l e d 、s i d e l e d 、h i g h p o w e r l e d 等 1 3 国内外研究近况 普遍使用的蓝光发光二极管材料为氮化镓材料，氮化镓在波长4 0 0h i l l 时的折 射率为2 5 左右，是个折射率相当高的半导体材料。因此，发光二极体内部所产生 3 江苏大学硕士学位论文 的光，在界面处因折射率反差会形成内部全反射，而全反射的临界角可由施耐尔 定律推得： 玑i i rs i n 9 0 。= n g 州s i n 0c a n 而大于临界角的光都会在界面处反弹被局限在材料中，一部分的光会遭到材 料本身吸收，而另一部分的光转换成热能，形成声子( p h o t o n ) 捕捉了大部分的载子， 使得发光效率不佳，导致外部量子效率下降。尽管由于磊晶技术的改进，内部量 子效率可以达到9 0 以上，但是外部量子效率因受限于折射率反差而很小，导致整 体的发光效率变差。因此改善发光二极管之外部量子效率成为目前固态照明重要 的课题之一。 为了改善上述发光二极管材料折射率反差大造成光提取效率低这个问题，许 多研究纷纷专注于如何提升氮化镓发光二极管光提取效率，并有这方面相关研究 成果相继发表出来，在2 0 0 0 年n n a k a d a 等人使用分布布拉格反射器d b r ( d i s t d b u t e d b r a gr e f l e c t o r ) 来提高u d 的外量子效率。2 0 0 4 年s n a k a m u r a 提出湿蚀刻的方式在 发光二极管表面形成粗化结构( s u r f a c er o u g h e n i n g ) 来破坏内部全反射，进而提升输 出功率达2 3 倍【1 7 1 。2 0 0 5 年d o n g h o k i m 利用干涉微影的方式于发光二极管表面制 作二维的光子晶体结构，也增) j h t 2 1 倍的光提取效率【1 8 1 。2 0 0 7 年许振丰，苏萍等 人以在g a n 上刻蚀光栅的方式来破坏内部全反射，进而提升了提取效率【1 9 1 。同年 t v c u o n g 以图形化蓝宝石基板( p a t t e r ns a p p h i r es t r u c t u r e ，p s s ) u 作方式，提升 了临界角内的出光效率1 2 0 。2 0 0 9 年林瀚等人用全息技术制作二维光子晶体蓝宝石 衬底，提高发光二极管外量子效斛2 1 1 。同年飞利浦l u m i l e d s 公司( 位于加拿大圣何 塞市) 与飞利浦r e s e a r c h 公司( 位于荷兰艾恩德霍文市) 的研究人员研制出一种使 用电子晶体结构的蓝光l e d ，在氮化镓l e d 上直接刻蚀出三角晶格结构，在未封装 的情况下，其光提取效率预计可达7 3 。 1 4 本文的主要内容及创新点 前面内容提到了几种目前用来提升光提取效率的方法，而在本研究中，也将通 过对光栅系数的优化来提高双光栅结构l e d 的光提取效率。由于氮化镓薄膜的折射 率( n = 2 5 ) ，相较于空气端( n = 1 ) 与蓝宝石基板( n = 1 7 d 的折射率都要高。导致有源 层发出的光，会因为内部的全反射，大部分的光会被局限于氮化镓薄膜中传播，只 4 江苏大学硕士学位论文 有小于临界角的光，才有机会从氮化镓薄膜层中提取出来。由施耐尔定律可推得传 统平板型g a n 基l e d 光提取效率仅剩1 8 5 。而双光栅结构将光栅刻蚀于氮化镓 薄膜表面及i t o 电极表面，利用周期性排列的矩形光栅结构，来破坏氮化镓薄膜内 的全反射，使得在氮化镓薄膜内传播的光，会藉由光栅再次被提取出来，在此基础 上，通过对光栅槽深，光栅周期以及氮化镓薄膜的材料吸收率的优化研究，达到双 光栅结构g a n 基l e d 的最优化设计。 1 5 本文行文安排 光提取效率是影响l e d 性能的最重要因素之一，对其进行深入的研究显得十分 必要。而l e d 器件中发光和出光是一个十分复杂的过程，很难通过传统方法研究。 随着计算机硬件性能的不断提升，可以在电脑上几近真实地模拟大量光子在芯片中 的传播，进而能优化l e d 芯片的形状以及参数等。本文使用蒙特卡罗光线追迹法和 光栅衍射理论，研究了光栅参数和g a n 材料吸收系数对光提取效率的影响。 本文共分为五章。其中第一章回顾了g a n 基l e d 历史和半导体材料的历史， 展望了g a n 基l e d 的发展趋势。第二章阐述了l e d 的发光原理，制造工艺过程及 提高外量子效率的主要解决方案，并重点介绍了提高l e d 光提取效率的方法，比如 分布布喇格反射层( d i s t r i b u t e db r a gr e f l e c t o r ) 、衬底激光剥离( l a s e rl i f t - o f f 简称 l id ) 、改变l e d 几何外形、倒装焊母i pc h i p ) 、表面粗糙化、光子晶体( p h o t o n i c e r y s t a l ) 和表面等离子激元( s u r f a c ep l a s m o n ) 等。第三章介绍了提高外量子效率的几个 基本理论，使用这些理论的分析方法及其所使用的软件，包括光栅衍射理论和时域 有限差分，光线追迹方法，蒙特卡罗方法等。第四章主要针对双光栅结构g a _ n 基 l e d ，对其光栅参数以及g a n 薄膜材料的吸收系数进行优化模拟并与传统平板结构 对比。第五章对以上章节加以总结，指出了目前工作存在的不足和今后的工作方向。 5 江苏大学硕士学位论文 第二章g a n 基l e d 发光原理及提高外量子效率的解决方案 2 1l e d 的发光原理 2 1 1 半导体能带 晶体按导电性能可分为：导体、绝缘体、半导体。导体的电阻率小于1 0 8 f a n ， 绝缘体的电阻率大于1 0 8 彻，而半导体的电阻率介于二者之间。由于它们的能带 结构的不同，导电性能也有所不同。如上图所示导体、绝缘体和本征半导体的能 带结构是有很大的不同。 对于半导体有直接带隙和间接带隙【2 2 1 之分，能带结构示意图2 1 所显示 c o n d u c t i o nb a n d e e c r y s t a l m o m e n t u m ( o rk ) e c r y s t a l m o m e n 骶瑾以( o rk 1 图2 1 半导体能带示意图 r i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f c o n d u c t i o nb a n d 在直接带隙半导体中，导带的最小值和价带的最大值在k 空间上重合。所以 电子在保证动量守衡的条件下，直接从导带底向价带顶跃迁；而在间接带隙半导体 中，电子在带间跃迁必须伴随着声子的产生，这样才能保证动量守衡。由于间接 带隙半导体中电子发生跃迁的几率远远小于直接带隙半导体。所以一般用直接带 隙半导体制作光电子器件。 6 江苏大学硕士学位论文 2 1 2 晶片的自发辐射 e c e v - e g圳 - r r ，a ，讥 户 i v l o v 、 r 1r ( a ) 自发辐射( b ) 受激辐射( c ) 受激吸收( d ) 非辐射跃迁 图2 2 电子在导带与价带之间的跃迁 f i g 2 2t r a n s i t i o no fe l e c t r o nb e t w e e nb a n d s 如上图2 2 所显示，当电子在导带与价带之间跃迁的时候，分别对应着光的自 发辐射，光的受激辐射，光的受激吸收【2 2 1 ，可以利用这三种物理过程来制造l e d 晶片，激光器，光电探测器。 其中l e d 晶片对应的是自发辐射。晶片发光靠的是注入载流子的自发发射， 激发态下，电子与空穴复合，晶片有源区中的自发发射速率与电子浓度和空穴浓 度的乘积成正比【2 2 1 ，可用式2 1 来表示 r s p = b s p n p( 2 1 ) 其中r s p 是自发辐射系数，n 和p 分别为电子和空穴的浓度。自发辐射有辐射 复合和非辐射复合。辐射复合是半导体l e d 中的有效复合，其主要包括：导带电子 到价带的带间跃迁，导带电子向受主能级跃迁，施主能级上的电子向价带跃迁， 施主能级上的电子向受主能级跃迁。如上图所示的，其中辐射复合的多余能量以 光子的形式释放。对于l e d 晶片来说，只有辐射复合才是有效复合。非辐射复合 有一下几种情况：当晶体中混入杂质后，会在带隙中引入深能级，这样使得电子跃 迁辐射产生较低能量的光子；晶体缺陷和表面态经常在能带隙中间产生一个连续 态，会成为一个陷阱，很容易将周围的载流子俘获并产生非辐射复合；另外当a u g e r 效应明显时候，会使得电子在导带向价带跃迁，但并不发射光子，而是将多余的 能量转移给导带其他的电子或者价带其它的空穴。非辐射复合产生的能量一般都 以声子的形式释放，转变为热能，如下图2 3 所显示。 7 江苏大学硕士学位论文 v i b r m i o n ga t o m s ( p b o n o n s ) ( a ) 辐射复合( b )菲辐射复合 图2 3 辐射复合和非辐射复合示意图 f i g 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fr a d i a t i v er e c o m b i n a t i o n l e d 晶片自发辐射的波长与其禁带宽度【1 】的关系满足： 允= h c e g ( 2 2 ) a 表示自发辐射出的光波的波长，h 表示普朗克常量，c 为光速，e g 表示半导 体材料的禁带宽度。 对于以g q 一在室温下，其禁带宽度的计算公式【2 3 1 为： 吼叫) = 蛾( m ) + ( 1 一功切( 刚) 一聊一力 ( 2 3 ) i n g a n 的禁带宽度随温度变化满足v a r s h n i 公式阿： 咧0 ) 一器一面0 2 ( 2 4 ) a = 0 4 1 m e v k , k n = 1 3 8 1 0 嗡- ，k 为波尔兹曼常量，= 9 1 0 k ，盯= 1 8 3 m e v 。 另外口满足 仃2 = t r 2 a a o y + o 2 咖 ( 2 5 ) 吒脚与巳删蛔分别表示有源区量子阱组分波动和厚度波动引起的p l 光谱 高斯犁展窬。 8 江苏大学硕士学位论文 2 1 3 p - n 结与l e d 由于掺杂成分的不同，半导体部分区域是n 型，另一部分区域是p 型，二者 交界处则被称为p n 结。 p 区( 空穴多，电子少) 的空穴向n 区扩散，n 区( 电子多，空穴少) 的电子 向p 区扩散，在交界处形成电势差及耗尽层。p n 结处的n 到p 的内电场遏制了电 子和空穴的继续扩散，达到平衡状态。在p n 结的p 端接电源正极，n 端接负极， 即对p - n 结加正向偏压。此时外电场与内电场反向，阻挡层势垒削弱，有利于空穴 向n 区移动，电子向p 区移动，空穴与电子在耗尽层复合发光，此时便可看做l e d ， 亦形成了正向电流。外加电压越大，正向电流亦越大，且呈非线性伏安特性。在 p - n 结的p 端接电源负极，另一端接正极，谓之对p n 结加反向偏压。这样外电场 与内电场同向，阻挡层势垒增大，不利于空穴与电子复合。但是由于少数载流子 在外电场的作用下会形成很弱的反向电流，亦称为漏电流。当反向电压超过某一 数值后，反向电流会急剧增大，称为反向击穿。 由上述可知p 1 1 结是具有整流，开关的晶体二极管。 半导体l e d 是由v 族化合物，如g a n ，i n g a n ，g a a s 等等半导体制成的。 l e d 晶片的核心是由p 型半导体和n 型半导体组成的晶片。在二者之间有一个过 渡层，称p - n 结，因此它具有一般p - n 结的伏安特性，即正向导通，反向截止，及 击穿特性。另外在一定的条件下，它还具有发光的特性。l e d 发光的波长取决于 材料的禁带宽度所以选用不同禁带宽度的半导体材料。就可以制造出发光颜色不 同的发光二极管。现在常见的有红、黄、绿、蓝发光二极管其中蓝色发光二极管 生产的技术要求较高，因此价格高。发光二极管发光亮度可以通过工作电压( 电渝 的大小来调节，在很宽的工作电流范围内，发光二极管的发光亮度与工作电流大 小成线性关系。 2 2 衡量l e d 的主要参数 l e d 在理想情况下，每注入一个电子便会发出一个光子，但在实际情况下由 于内部损耗造成，注入的电子并不能全部转化为光子，而产生的光子也不能全部 从l e d 中射出，这便引出一个量子效率的问题。注入有源层的电子并不一定全部 9 江苏大学硕士学位论文 用来产生的光子，于是产生了内量子效率( i n t e n a lq u a n t u me f f i c i e n c y ) ，通常定义为 从l e d 有源层产生的光子数与l e d 的注入电子数的比值，其表达式可以用式2 6 表示。 。一每秒从有源层辐射出来的光子数一p 缸( h d 吖罐 注入墟d 的电子个数i e 但国 其中表示有源层产生的光功率，而i 表示注入电流。 有源层产生的光子在理想情况下，将全部射向自由空间，但由于存在内部 f r e s n e l 反射以及重吸收作用( 如电极和衬底) ，使得产生的光并不能全部射出，这时 所产生的效率为提取效率( e x t r a c t i o ne f f i c i e n c y ) ，定义式为( 2 7 ) 。 每秒辐射到自由空间的光子个数 e ( hn 吖一 每秒从有源层辐射出来的光子个数 ( hv ) 但乃 p 表示射向自由空间的光功率。提取效率通常是l e d 出光效率最大的限制。 外量子效率则定义为射向自由空间的光子数与注入的电子数的比值，即内量 子效率和提取效率的乘积，定义式为( 2 8 ) 。 = 鼍箦舞群擎= 瓦p ( h v ) = ( 2 8 )y 圃 注入到l e d 的光子个数，e 1 叫一 r v ， 另外通常所说的出光效率( p o w e re f f i c i e n c y ，w a l l p l u ge f f i c i e n c y ) 定义式为 ( 2 9 ) 。 p 刁一2 万 ( 2 9 ) 除以上所述以外还有一些衡量l e d 光源的参数如光通量，光照度，亮度，色 温及显色指数等。 光通量是以人眼对光的感觉量为基准来衡量的物理量，单位为流明( 1 m ) ；光 照度是指l l m ( 流明) 的光通量均匀分布在l m 2 表面上所产生的光照度，单位为l 】【 ( 勒克斯) ；亮度是单位光源面积在法线方向上，单位立体角内所发出的光流，单 位为n t ( 尼特) ；对于色温，当光源发出的光的颜色与黑体在某温度下辐射的颜色 相同时，黑体的温度就称为该光源的色温，用绝对温度k ( k e l v i n ) 表示。黑体辐 射理论是建立在热辐射基础上的；显色指数是指我们把光源对物体真实颜色的呈 现程度，物体在太阳光的照射下，显示出它的真实颜色，但当物体在非连续光谱 1 0 江苏大学硕士学位论文 的光源的照射下，颜色就会有不同程度的失真。为了对光源的显色性进行定量的 评价，引入显色指数的概念，显色指数为对象在某光源照射下显示的颜色与其在 参考光源照射下的颜色两者的相对差异。 2 3 制约外量子效率的原因分析 传统l e d 作为光源有着许多无可比拟的优点：发光密度高，电流可以直接注 入，极高的内量子效率，长寿命，体积小以及绿色环保。然而所有半导体l e d 都 面临着同一个问题：如何提高l e d 的外量子效率，而外量子效率等于内量子效率与 光提取效率的乘积，目前高质量的l e d 的内量子效率已经达到9 0 以上，但是由 于光提取效率非常低，以及半导体材料的吸收，被吸收的光能被转换为热能，致 使晶片结温升高，由此又导致l e d 的色偏，寿命及电光转换效率降低等不利影响。 所以如何提高l e d 的外量子效率主要在于如何让内部有源区发出的光辐射出来。 而这主要是因为在半导体内部与外部很大的折射率差而引起的光提取效率非常的 低。下面我们利用简单的推倒来说明这个问题。位于全反射角以内的出射光锥的 立体角f 2 4 1 为： 。哞霄 q = 2 万js i n & i o = 2 刀( 卜c o s ) 素 ( 2 1 0 ) 空间内总的立体角为4 ，假设有源区发出的光在空间中的分布是均匀的，则 其提取效率为： 1 2 砑 ( 2 t 1 ) 代入h l g 心p 材料，1 1 大约为3 5 ，i n g a n 材料，1 1 大约为2 6 ，相应的光提取 效率为4 ：第二代半导体材料g a a s ( 耻a 做红光l e d ) ，r l 大约为3 6 ，第三代半导 体材料g a n ( g a _ n 材料通过掺杂i n 组分的不同可以改变禁带宽度) ，n 大约为2 5 。 可见不管第几代半导体材料都面对着同一个问题，在内量子效率很高的情况下， 由于光在半导体材料与空气的界面发生全反射，有源区发出来的光大部分提取不 出来。由于l e d 芯片形状的限制和半导体材料折射率与空气折射率过大，使得有 着极高内量子效率的l e d 在有源区发出的光线大部分不能出射到空气中去。如2 4 图所显示： 江苏走学硕士学位论文 图2 4 出射光锥示意图 f i g2 4s c h e m a t i c d i a g r a mo f o u t g o i n g l i g h t c o l i c 以卜的分析说明如果从g a n 出射的光线没有经过任何处理，则出射的光线是 非常少的。这对于利用g a b 基l e d 来实现门光照明足致命的。这就要求我们想方 设法提取有源区中发生全反射而被吸收的光，f 碡i 详细介绍目前提高l e d 光提取 效率的解决方案。 2 4 提高外量子效率的解决方案 为了提高光提取效率许多解决方案已经被提出，且有很多已取得了撒大的 进展，尽管相、 一部分进展足在实验一 r 取得的，但都为不远将来的最终产业化、 商品化奠定了基础。目前提高l e d 外量子效率的主要途径有分柿布喇格反射层 f d i s t r i b u t e db r a gr e t i e * t 0 0 、村底激光剥离( l a s e rl i f t o f f 简称l l o ) 、改变l e d 儿 何外形和倒装焊( f i i pc h i p ) 、表面羊 l 糙化、光子品体( p h 砷) i l i cc r y s t a l ) 、表面等离 懒( s u f f a c ep l a s m o n ) 、利用芯片微结构等等，或者是将上述的方法结合起来， 同时j 畦用到l e d 上。 2 4 1 生长分布布拉格反射层b r ) - f 椭 2 0 0 0 年n n a k a d a 等人吲利月 分布布拉格反射_ ： ： d b r f d i s t r i b u t c d b r a gr e t i e c t o r ) 来提高l e d 的外量了效率，其结构如图2 5 所示d b r 是两种折射率不啊的材料 江苏大学硕士学位论文 周期交替生长的层状结构，它可以用做起到反射镜的作用，在衬底和有源区之间 生长1 5 对的g a n m g a nd b r 层，能够将射入衬底的光反射回表面或侧面，可以 减少衬底对光的吸收，并提高出光效率。 图2 5 带有d b r 的l e d 结构 f i g 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fr a d i a t i v er e c o m b i n a t i o n d b r 结构直接利用m o c v d 设备进行生长，无需进行再次加工处理。d b r 的 反射率r 与材料的折射率以及布拉格反射层的对数( p a i 0 n 的关系满足公式【凋： r ：1 4 丝f 堕) 2 n n tn u ( 2 1 2 ) 其中n 2 和n 1 分别是空气和介质的折射率，n l 和n h 分别是低折射率材料和高 折射率材料的折射率，可见两种材料的折射率差越大，反射率越高。在n l h a 一定 的情况，反射率随着对数n 的增加而提高。 在实验室内，可以利用昂贵的分子束外延技术来生长布喇格反射层：另外可以 直接利用m o c v d 设备进行生长，无需再次加工处理，有很好的成本优势，但是 随着反射层数的增加，控制生长在d b r 上的材料的晶格质量的难度也越来越大， 会引起不少缺陷，降低了l e d 的内量子效率，从而也影响了l e d 的外量子效率。 2 4 2 芯片外观处理 通过改变l e d 的几何形状，可以缩短光在l e d 内部反射的路程，这种新技术 江苏大学硕士学位论文 在1 9 9 9 年被提出。此方法旨在减小光在l e d 内部反射而造成的有源层及自由载 流子对光的吸收。光在内部反射的次数越多，路径越长，造成的损失越大。一般 的发光二极管都是立方体的结构，使得光在l e d 内部传输的光程很长，使得有源 层和自由载流子对光的吸收增加。k r a m e s 等人利用特殊的方法，将i n g a a i p 红光 l e d 台面制成平头倒金字塔形状的结构，键合到透明衬底上，实现了5 0 以上的 外量子效率。l e d 芯片被切去四个方向的下角，斜面与垂直方向的夹角为3 5 。， 成倒金字塔形。如下面倒金字塔形状红光l e d 剖面副韧和圆球形l e d 结构图。 图2 6 倒金字塔形l e d 剖面图 f i g 2 6p r o f d ed i a g r a mo fi n v e r t e dp y r a m i dl e d 图2 7 圆球形l e d 结构图 ，f i g 2 7 鳓m c t i l 飑d i a g r a mo fs p h e r i c a ll e d r 倒金字塔型l e d 可以使内部反射的光从侧壁的内表面再次传播到上表面，而 以小于临界角的角度出射。同时使那些射向到上表面的大于临界角的光重新从侧 面出射。这两种过程都可以减少光在芯片内部传播的路程。也可以将正方形的l e d 芯片变为圆球形或者半球形，如上图。如此一来从有源层发出的光在界面的入射 角度大于全反射角的概率就小多了，这样更多的光线便能够出射。但该方案的技 1 4 江苏大学硕士学位论文 术难度太大，成本花费很高，只能每个分别加工，而且工序复杂，也无法大量生 产。如果没有新的制作方案，未来这种形状的l e d 很难走出实验室。 2 4 3 倒装焊的方法 对于g a n 基l e d ，通过倒装焊的方法阀，可以利用衬底a 1 2 0 3 折射率处于 g a n 与空气折射率之间的优点，就如同在上个方法通过封装来提高l e d 的出光 效率一样，如图2 8 所显示。 图2 8 倒装焊l e d 结构图 f i g 2 8s t r u c t u r ed i a g r a mo ff l i p - c h i pl e d 通过计算，这样几乎提高到了原来的1 1 3 。另外倒装焊接还解决了p 型电极 遮挡光线出射的问题，不过倒装焊接还存在焊接均匀度，工艺复杂的问题。 2 4 4 制作透明衬底l e d 对于以蓝宝石( s a p p h i r e ) 衬底为主的g a n 系l e d 而言，g a n 基l e d 一般是 异质外延在与之晶系结构相似的s a p p h i r e 衬底上。s a p p h i r e 作为g a n 外延层的衬底 存在明显的缺陷：它与g a n 晶格失配大，外延晶片中有高密度的线缺陷，限制了g a n 外延层的厚度和晶体质量；它的电导率、热导率差，从而出现了上下电极实现的困难， 也导致g a n 基l e d 的制作工艺复杂，寿命短、输出功率低。除了将光反射从l e d 上表面射出，还有一种减少衬底吸收作用的方法就是将g a a s 基l e d 的衬底换成透 明衬底，使光从衬底出射。这种方法是将l e d 的g a n 衬底剥离，换成透明衬底， 然后粘结在透明的g a p 衬底上，使光从下底面出射，所以又被称为透明衬底l e d 。 它的理论依据是光的自发吸收理论。g a n 是一种化合物半导体材料，其禁带宽度为 江苏大学硕士学位论文 3 4 e v 。如果用一束