第三讲发光二极管光取出原理及方法

第三讲发光二极管光取出原理及方法第一页，共五十九页，编辑于2023年，星期一2.1发光二极管光取出原理辐射量－－辐射发光效率感光量－－LED发光效率发光效率K第二页，共五十九页，编辑于2023年，星期一LED发光效率光子数与电子空穴复合数之比电子空穴对能量与外部电源功率之比第三页，共五十九页，编辑于2023年，星期一电光转换效率(Wall-plugEfficiency)：半导体发光二极管的辐射发光效率，是光的输出功率于输入电流功率之比。Popt:光输出功率；Cex：光取出效率；I与V分别为加在LED两端的电流和电压。因此，在输入功率一定的情况下，要改进电光转换效率就要改进内部量子效率和高的光取出效率。第四页，共五十九页，编辑于2023年，星期一影响光取出效率的三个原因1，材料本身的吸收。解决措施：厚的窗口层（windowlayer）或电流分布层使电流均匀分布并增大表面透过率；用电流局限技术（CurrentBlocking）使电流不在电接触区域下通过；用透明或不吸光的材料做衬底或者在活性层下设置反射镜将光反射至表面2，菲涅尔损失：当光从折射率为n1的某种物质到折射率为n2的某种物质时，一部分光会被反射回去。菲涅尔损失系数为若n1=3.4,n2=1,则，也就是70.2％的光可以投射半导体与空气的界面第五页，共五十九页，编辑于2023年，星期一3，全反射损失：只有小于临界角内的光可以完全被射出，其他的光则被反射回内部或吸收。解决措施：一般情况下用环氧树脂做成圆顶（SemisphericalDome），放在LED芯片上，可以大大增加临界角，但是制造成本同时增加第六页，共五十九页，编辑于2023年，星期一一种经济的减少全反射的方法是将p-n结用环氧树脂包封起来，利用模具可以很方便地浇铸成半球形封帽。如下图所示，目前工业化生产地单体发光二极管多采用类似结构第七页，共五十九页，编辑于2023年，星期一2.2增加内部量子效率的方法增加光取出率，首先要增加内部量子效率，希望能达到99％左右。然后需要改进内部结构以利于电流分布以及减少光吸收。一、采用异质结结构第八页，共五十九页，编辑于2023年，星期一LED发光机制PN结注入发光能带图第九页，共五十九页，编辑于2023年，星期一异质结注入发光第十页，共五十九页，编辑于2023年，星期一例如，对于蓝光LED中采用的InGaN-GaN异质结，发光波长在460nm附近时，带隙约为2.7eV，相当于InGaN的禁带宽度。发光区（Eg2较小）发射的光子，其能量hv小于Eg1，进入p区后不会引起本征吸收，即禁带宽度较大的p区对这些光子是透明的。第十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期一二、采用最佳活性层下图是南昌大学教育部发光材料国家重点实验室制备的InGaN/GaN量子阱，数目为5个第十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期一Si(111)衬底上的InGaN/GaNMQW的TEM

(a)明场像;(b)高分辨像从图中可以看出量子阱为5个周期,且阱(InGaN)和垒(GaN)界面明锐,表明生长的量子阱结构质量良好;图(b)是该样品InGaN/GaNMQW的高分辨像,由于In原子对电子的原子散射因子比Ga原子的大,黑色条纹为阱(InGaN),白色条纹为垒(GaN).从图中观察,阱和垒的厚度较为均匀,由标尺量得阱(InGaN)层厚约为2nm,垒(GaN)层厚约为815nm第十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期一势阱沿z方向很窄，电子在z方向被局限在几个到几十个原子层范围的量子阱中，能量发生量子化，产生分立能级。电子在分立能级之间跃迁而辐射发光。第十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期一惠普公司采用4个50nm厚的AlInGaN/GaN量子阱，发现其发光效率要比在同等厚度下的非量子阱活性层效率高30％。第十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期一2.3改进内部结构，提高发光效率一、改善电流分布为提高出光效率和空穴的均匀注入，P型GaN的透明导电薄膜是必不可少的。由于金属薄膜低的透光率和在高注入电流下金属的扩散，用传统的金属薄膜作为P型GaN欧姆接触的LED出光效率低、稳定性差。如半透明的Ni/Au薄膜的透光率大约只有60一75%。第十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期一解决这个问题的一个可行方法是用透明的ITO（铟锡氧化物）薄膜代替Ni/Au薄膜作为P性GaN的接触层。ITO具有硬度好、化学性质稳定、导电性好和低的光吸收系数。并且，ITO薄膜和GaN之间附着好。由于这些特性，ITO是很有前途的P型GaN的电极材料。第十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期一第十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期一第十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期一ITO薄膜在可见光波段具有很好的透光率，尤其在波长为460nm处，透光率为95.5%。相比之下，Ni/Au薄膜在460nm波段处，透光率只有60一75%。ITO氧化物其禁带宽度(即能隙)在E=3.5eV，所以可见光(1.6~3.3eV)的能量不足以将价带的电子激发到导带。自由电子在能带间迁移而产生的光吸收，在可见光的范围不会发生，ITO对可见光透明第二十页，共五十九页，编辑于2023年，星期一第二十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期一二、生长分布布喇格反射层（DBR）结构DBR（distributedbraggreflector）结构早在20世纪80年代R.D.Burnham等人提出，如图1所示。第二十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期一它是两种折射率不同的材料周期交替生长的层状结构，厚度一般为波长的1/4，它在有源层和衬底之间，能够将射向衬底的光反射回表面或侧面，可以减少衬底对光的吸收，提高出光效率.DBR结构直接利用MOCVD设备（金属有机化学气相沉积系统）进行生长，无须再次加工处理。第二十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期一布喇格光栅的原理布喇格光栅的原理是由于折射率周期变化造成波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式祸合，使得其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇异性。第二十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期一这样，人们开始在LED中生长不同种类的DBR结构来减小衬底对光的吸收。材料的折射率与DBR的反射效果有直接关系，折射率差（Δn）越大，反射率R（p）越大，反射效果越好：DBR的周期数也与反射率成正比，式中的p是DBR的对数（pair），对数越高，反射效果越好。第二十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期一三、制作透明衬底LED（TS-LED）除了将光反射掉，另外一种减少衬底吸收作用的方法就是将LED的衬底换成透明衬底，使光从下底面出射。第二十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期一透明衬底可以在LED晶片生长结束后，移去吸光的n-GaAs衬底，利用二次外延生长出透明的、宽禁带的导电层。也可以先在n-GaAs衬底片上生长厚50mm的透明层（比如AlGaAs），然后再移去GaAs衬底。这两种技术的问题在于透明层的价格昂贵,难于生长，而且与高质量的有源层之间匹配不好。第二十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期一另外一种技术就是bonding（粘合）技术。它是指将两个不同性质的晶片结合到一起，并不改变原来晶体的性质。用选择腐蚀的方式将GaAs衬底腐蚀掉后，在高温单轴力的作用下将外延片bonding到透明的n-GaP上。制成的器件是GaP衬底–有源层–GaP窗口层的三明治结构。第二十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期一允许光从六个面出射，因而提高了出射效率。根据1996年的报道，636nm的TS-LED外量子效率可以达到23.7%；607.4nm的TS-LED的发光效率达到50.1m/W。第二十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期一四、倒金字塔形LED减小光在LED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。通过改变LED的几何形状，可以缩短光在LED内部反射的路程。倒金字塔形LED这种新技术在1999年被提出。它是在透明衬底LED基础上的再次加工。将bonding后的LED晶片倒置，切去四个方向的下角，如图3（a）所示，斜面与垂直方向的夹角为35度。图3（b）是横截面的示意图，它演示了光出射的路径。第三十页，共五十九页，编辑于2023年，星期一LED的这种几何外形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。同时使那些传播到上表面大于临界角的光重新从侧面出射。这两种过程能同时减小光在内部传播的路程。第三十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期一第三十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期一五、表面粗化技术机理：将LED的表面做得适当粗糙，其粗糙尺度大约在出射光的半波长，当光射到这个不均匀的媒体介质表面时，即使在角度大于临界角的情况下，光线也不一定被全反射，射到表面的光以一定概率以随机的角度散射出来。第三十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期一ITO表面粗化工艺是:用光刻胶对部分ITO表面进行保护，接着用等离子体干法刻蚀对ITO表面进行粗化。实例：ITO表面粗化对出光效率的影响第三十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期一第三十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期一第三十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期一从图中的数据可以看出在相同的条件下，表面粗化的LED芯片的发光强度明显高于传统的LED芯片。在20mA的驱动电流下，表面粗化的LED芯片的发光强度大约为120mcd，但传统的LED芯片大约只有70mcd。ITO薄膜的表面粗化工艺使LED芯片的发光强度提高了70%。第三十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期一六、更换衬底AlGaInP和AlGaInN基二极管外延片所用的衬底分别为GaAs和蓝宝石,它们的导热性能都较差.为了更有效地散热和降低结温,可通过除掉原来用于生长外延层的衬底,将外延层键合转移到导电和导热性能良好的衬底上,如铜、铝、金锡合金、氮化铝等.第三十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期一蓝宝石衬底剥离技术键合剥离技术主要由3个关键工艺步骤完成:(1)在外延表面淀积键合金属层如Pd100nm,以及在键合底板上如Si底板表面淀积一层1000nm的铟;第三十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期一(2)将外延片低温键合到底板上;第四十页，共五十九页，编辑于2023年，星期一(3)用KrF脉冲准分子激光器照射蓝宝石底面,使蓝宝石和GaN界面的GaN产生热分解,再通过加热(40℃)使蓝宝石脱离GaN.第四十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期一2003年,Osram运用键合、激光剥离、表面微结构化和使用全反射镜等技术途径,使其最新研发的ThinGaNTO－PLED芯片出光效率达到75%。在20mA驱动电流下,发光功率已达13mW(470nm),封成的白光二极管发光效率大于50lm/W,是传统芯片的3倍。大功率照明LED芯片在350mA驱动电流下,芯片的发光功率达182mW(470nm),封成白光二极管后,产生43lm,发光效率约>40lm/W。第四十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期一七、图形化GaN和蓝宝石衬底在2μm左右的GaN外延片上,采用光刻和等离子体增强化学气相淀积(PECVD)技术,可以获得以SiO2为掩膜的周期性结构图形(如正六边形或长方形),图形尺度在300—350μm左右,间距在50μm左右.第四十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期一然后在HVPE系统中选区生长,得到厚度约为50μm左右具有光滑表面的一个一个岛状结构,最后在MOCVD系统中生长LED结构.在这些孤立的岛状结构上直接制备LED器件(见图).(a)长方形图形化GaN基底上的二次外延的LED外延片表面SEM图;(b)正六边形图形化GaN基底上的二次外延的LED外延片表面SEM图;(c)正六边形图形化GaN基底上的二次外延的LED发光时的光显图第四十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期一化学气相沉积(Chemicalvapordeposition，简称CVD)反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。它本质上属于原子范畴的气态传质过程。与之相对的是物理气相沉积（PVD）。第四十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期一PECVD系统（等离子体化学气相沉积系统）用途：主要用于钝化及布线介子层的氮化硅、氧化硅及参杂等第四十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期一为了使化学反应能在较低的温度下进行，利用了等离子体的活性来促进反应，因而这种CVD称为等离子体增强化学气相沉积(PECVD).

第四十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期一例子：在PECVD工艺中由于等离子体中高速运动的电子撞击到中性的反应气体分子，就会使中性反应气体分子变成碎片或处于激活的状态容易发生反应。衬底温度通常保持在350℃左右就可以得到良好的SiOx或SiNx薄膜，可以作为集成电路最后的钝化保护层，提高集成电路的可靠性。第四十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期一HVPE系统(氢化物气相外延)用途：在GaN/蓝宝石/SiC外延生长GaN厚膜第四十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期一外延是在特定条件下，使某物质的原子或分子有规则排列，定向生长在衬底的表面上。得到连续，完整的并与衬底晶格结构有对应关系的单晶层，称为外延层，而此过程称为外延生长。第五十页，共五十九页，编辑于2023年，星期一GaN/GaAs等薄膜工艺MOCVD系统（金属有机化学气相沉积系统）第五十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期一MOCVD简介1968年由美国洛克威尔公司提出来的一项制备化合物半导体单品薄膜的新技术。该设备集精密机械、半导体材料、真空电子、流体力学、光学、化学、计算机多学科为一体，是一种自动化程度高、价格昂贵、技术集成度高的尖端光电子专用设备。主要用于GaN（氮化镓）系半导体材料的外延生长和蓝色、绿色或紫外发光二极管芯片的制造。金属有机化学气相沉积系统(MOCVD)是利用金属有机化合物作为源物质的一种化学气相淀积(CVD)工艺.第五十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期一世界上最大的两家MOCVD生产商为德国的AIXTRON和美国的VEECO。日系的MOCVD一般只在日本本土占有市场。第五十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期一发光功率增加的主要原因有