第三講發(fā)光二極管光取出原理及方法

第三講發(fā)光二極管光取出原理及方法第1頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1發(fā)光二極管光取出原理輻射量－－輻射發(fā)光效率感光量－－LED發(fā)光效率發(fā)光效率K第2頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一LED發(fā)光效率光子數(shù)與電子空穴復(fù)合數(shù)之比電子空穴對(duì)能量與外部電源功率之比第3頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一電光轉(zhuǎn)換效率(Wall-plugEfficiency)：半導(dǎo)體發(fā)光二極管的輻射發(fā)光效率，是光的輸出功率于輸入電流功率之比。Popt:光輸出功率；Cex：光取出效率；I與V分別為加在LED兩端的電流和電壓。因此，在輸入功率一定的情況下，要改進(jìn)電光轉(zhuǎn)換效率就要改進(jìn)內(nèi)部量子效率和高的光取出效率。第4頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一影響光取出效率的三個(gè)原因1，材料本身的吸收。解決措施：厚的窗口層（windowlayer）或電流分布層使電流均勻分布并增大表面透過率；用電流局限技術(shù)（CurrentBlocking）使電流不在電接觸區(qū)域下通過；用透明或不吸光的材料做襯底或者在活性層下設(shè)置反射鏡將光反射至表面2，菲涅爾損失：當(dāng)光從折射率為n1的某種物質(zhì)到折射率為n2的某種物質(zhì)時(shí)，一部分光會(huì)被反射回去。菲涅爾損失系數(shù)為若n1=3.4,n2=1,則，也就是70.2％的光可以投射半導(dǎo)體與空氣的界面第5頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3，全反射損失：只有小于臨界角內(nèi)的光可以完全被射出，其他的光則被反射回內(nèi)部或吸收。解決措施：一般情況下用環(huán)氧樹脂做成圓頂（SemisphericalDome），放在LED芯片上，可以大大增加臨界角，但是制造成本同時(shí)增加第6頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一種經(jīng)濟(jì)的減少全反射的方法是將p-n結(jié)用環(huán)氧樹脂包封起來，利用模具可以很方便地澆鑄成半球形封帽。如下圖所示，目前工業(yè)化生產(chǎn)地單體發(fā)光二極管多采用類似結(jié)構(gòu)第7頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2增加內(nèi)部量子效率的方法增加光取出率，首先要增加內(nèi)部量子效率，希望能達(dá)到99％左右。然后需要改進(jìn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)以利于電流分布以及減少光吸收。一、采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)第8頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一LED發(fā)光機(jī)制PN結(jié)注入發(fā)光能帶圖第9頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光第10頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一例如，對(duì)于藍(lán)光LED中采用的InGaN-GaN異質(zhì)結(jié)，發(fā)光波長(zhǎng)在460nm附近時(shí)，帶隙約為2.7eV，相當(dāng)于InGaN的禁帶寬度。發(fā)光區(qū)（Eg2較?。┌l(fā)射的光子，其能量hv小于Eg1，進(jìn)入p區(qū)后不會(huì)引起本征吸收，即禁帶寬度較大的p區(qū)對(duì)這些光子是透明的。第11頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、采用最佳活性層下圖是南昌大學(xué)教育部發(fā)光材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室制備的InGaN/GaN量子阱，數(shù)目為5個(gè)第12頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Si(111)襯底上的InGaN/GaNMQW的TEM

(a)明場(chǎng)像;(b)高分辨像從圖中可以看出量子阱為5個(gè)周期,且阱(InGaN)和壘(GaN)界面明銳,表明生長(zhǎng)的量子阱結(jié)構(gòu)質(zhì)量良好;圖(b)是該樣品InGaN/GaNMQW的高分辨像,由于In原子對(duì)電子的原子散射因子比Ga原子的大,黑色條紋為阱(InGaN),白色條紋為壘(GaN).從圖中觀察,阱和壘的厚度較為均勻,由標(biāo)尺量得阱(InGaN)層厚約為2nm,壘(GaN)層厚約為815nm第13頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一勢(shì)阱沿z方向很窄，電子在z方向被局限在幾個(gè)到幾十個(gè)原子層范圍的量子阱中，能量發(fā)生量子化，產(chǎn)生分立能級(jí)。電子在分立能級(jí)之間躍遷而輻射發(fā)光。第14頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一惠普公司采用4個(gè)50nm厚的AlInGaN/GaN量子阱，發(fā)現(xiàn)其發(fā)光效率要比在同等厚度下的非量子阱活性層效率高30％。第15頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.3改進(jìn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高發(fā)光效率一、改善電流分布為提高出光效率和空穴的均勻注入，P型GaN的透明導(dǎo)電薄膜是必不可少的。由于金屬薄膜低的透光率和在高注入電流下金屬的擴(kuò)散，用傳統(tǒng)的金屬薄膜作為P型GaN歐姆接觸的LED出光效率低、穩(wěn)定性差。如半透明的Ni/Au薄膜的透光率大約只有60一75%。第16頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一解決這個(gè)問題的一個(gè)可行方法是用透明的ITO（銦錫氧化物）薄膜代替Ni/Au薄膜作為P性GaN的接觸層。ITO具有硬度好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、導(dǎo)電性好和低的光吸收系數(shù)。并且，ITO薄膜和GaN之間附著好。由于這些特性，ITO是很有前途的P型GaN的電極材料。第17頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第18頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第19頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一ITO薄膜在可見光波段具有很好的透光率，尤其在波長(zhǎng)為460nm處，透光率為95.5%。相比之下，Ni/Au薄膜在460nm波段處，透光率只有60一75%。ITO氧化物其禁帶寬度(即能隙)在E=3.5eV，所以可見光(1.6~3.3eV)的能量不足以將價(jià)帶的電子激發(fā)到導(dǎo)帶。自由電子在能帶間遷移而產(chǎn)生的光吸收，在可見光的范圍不會(huì)發(fā)生，ITO對(duì)可見光透明第20頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第21頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、生長(zhǎng)分布布喇格反射層（DBR）結(jié)構(gòu)DBR（distributedbraggreflector）結(jié)構(gòu)早在20世紀(jì)80年代R.D.Burnham等人提出，如圖1所示。第22頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一它是兩種折射率不同的材料周期交替生長(zhǎng)的層狀結(jié)構(gòu)，厚度一般為波長(zhǎng)的1/4，它在有源層和襯底之間，能夠?qū)⑸湎蛞r底的光反射回表面或側(cè)面，可以減少襯底對(duì)光的吸收，提高出光效率.DBR結(jié)構(gòu)直接利用MOCVD設(shè)備（金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)）進(jìn)行生長(zhǎng)，無須再次加工處理。第23頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一布喇格光柵的原理布喇格光柵的原理是由于折射率周期變化造成波導(dǎo)條件的改變，導(dǎo)致一定波長(zhǎng)的光波發(fā)生相應(yīng)的模式禍合，使得其透射光譜和反射光譜對(duì)該波長(zhǎng)出現(xiàn)奇異性。第24頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一這樣，人們開始在LED中生長(zhǎng)不同種類的DBR結(jié)構(gòu)來減小襯底對(duì)光的吸收。材料的折射率與DBR的反射效果有直接關(guān)系，折射率差（Δn）越大，反射率R（p）越大，反射效果越好：DBR的周期數(shù)也與反射率成正比，式中的p是DBR的對(duì)數(shù)（pair），對(duì)數(shù)越高，反射效果越好。第25頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、制作透明襯底LED（TS-LED）除了將光反射掉，另外一種減少襯底吸收作用的方法就是將LED的襯底換成透明襯底，使光從下底面出射。第26頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一透明襯底可以在LED晶片生長(zhǎng)結(jié)束后，移去吸光的n-GaAs襯底，利用二次外延生長(zhǎng)出透明的、寬禁帶的導(dǎo)電層。也可以先在n-GaAs襯底片上生長(zhǎng)厚50mm的透明層（比如AlGaAs），然后再移去GaAs襯底。這兩種技術(shù)的問題在于透明層的價(jià)格昂貴,難于生長(zhǎng)，而且與高質(zhì)量的有源層之間匹配不好。第27頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一另外一種技術(shù)就是bonding（粘合）技術(shù)。它是指將兩個(gè)不同性質(zhì)的晶片結(jié)合到一起，并不改變?cè)瓉砭w的性質(zhì)。用選擇腐蝕的方式將GaAs襯底腐蝕掉后，在高溫單軸力的作用下將外延片bonding到透明的n-GaP上。制成的器件是GaP襯底–有源層–GaP窗口層的三明治結(jié)構(gòu)。第28頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一允許光從六個(gè)面出射，因而提高了出射效率。根據(jù)1996年的報(bào)道，636nm的TS-LED外量子效率可以達(dá)到23.7%；607.4nm的TS-LED的發(fā)光效率達(dá)到50.1m/W。第29頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一四、倒金字塔形LED減小光在LED內(nèi)部反射而造成的有源層及自由載流子對(duì)光的吸收。光在內(nèi)部反射的次數(shù)越多，路徑越長(zhǎng)，造成的損失越大。通過改變LED的幾何形狀，可以縮短光在LED內(nèi)部反射的路程。倒金字塔形LED這種新技術(shù)在1999年被提出。它是在透明襯底LED基礎(chǔ)上的再次加工。將bonding后的LED晶片倒置，切去四個(gè)方向的下角，如圖3（a）所示，斜面與垂直方向的夾角為35度。圖3（b）是橫截面的示意圖，它演示了光出射的路徑。第30頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一LED的這種幾何外形可以使內(nèi)部反射的光從側(cè)壁的內(nèi)表面再次傳播到上表面，而以小于臨界角的角度出射。同時(shí)使那些傳播到上表面大于臨界角的光重新從側(cè)面出射。這兩種過程能同時(shí)減小光在內(nèi)部傳播的路程。第31頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第32頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一五、表面粗化技術(shù)機(jī)理：將LED的表面做得適當(dāng)粗糙，其粗糙尺度大約在出射光的半波長(zhǎng)，當(dāng)光射到這個(gè)不均勻的媒體介質(zhì)表面時(shí)，即使在角度大于臨界角的情況下，光線也不一定被全反射，射到表面的光以一定概率以隨機(jī)的角度散射出來。第33頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一ITO表面粗化工藝是:用光刻膠對(duì)部分ITO表面進(jìn)行保護(hù)，接著用等離子體干法刻蝕對(duì)ITO表面進(jìn)行粗化。實(shí)例：ITO表面粗化對(duì)出光效率的影響第34頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第35頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第36頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一從圖中的數(shù)據(jù)可以看出在相同的條件下，表面粗化的LED芯片的發(fā)光強(qiáng)度明顯高于傳統(tǒng)的LED芯片。在20mA的驅(qū)動(dòng)電流下，表面粗化的LED芯片的發(fā)光強(qiáng)度大約為120mcd，但傳統(tǒng)的LED芯片大約只有70mcd。ITO薄膜的表面粗化工藝使LED芯片的發(fā)光強(qiáng)度提高了70%。第37頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一六、更換襯底AlGaInP和AlGaInN基二極管外延片所用的襯底分別為GaAs和藍(lán)寶石,它們的導(dǎo)熱性能都較差.為了更有效地散熱和降低結(jié)溫,可通過除掉原來用于生長(zhǎng)外延層的襯底,將外延層鍵合轉(zhuǎn)移到導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能良好的襯底上,如銅、鋁、金錫合金、氮化鋁等.第38頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一藍(lán)寶石襯底剝離技術(shù)鍵合剝離技術(shù)主要由3個(gè)關(guān)鍵工藝步驟完成:(1)在外延表面淀積鍵合金屬層如Pd100nm,以及在鍵合底板上如Si底板表面淀積一層1000nm的銦;第39頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(2)將外延片低溫鍵合到底板上;第40頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(3)用KrF脈沖準(zhǔn)分子激光器照射藍(lán)寶石底面,使藍(lán)寶石和GaN界面的GaN產(chǎn)生熱分解,再通過加熱(40℃)使藍(lán)寶石脫離GaN.第41頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2003年,Osram運(yùn)用鍵合、激光剝離、表面微結(jié)構(gòu)化和使用全反射鏡等技術(shù)途徑,使其最新研發(fā)的ThinGaNTO－PLED芯片出光效率達(dá)到75%。在20mA驅(qū)動(dòng)電流下,發(fā)光功率已達(dá)13mW(470nm),封成的白光二極管發(fā)光效率大于50lm/W,是傳統(tǒng)芯片的3倍。大功率照明LED芯片在350mA驅(qū)動(dòng)電流下,芯片的發(fā)光功率達(dá)182mW(470nm),封成白光二極管后,產(chǎn)生43lm,發(fā)光效率約>40lm/W。第42頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一七、圖形化GaN和藍(lán)寶石襯底在2μm左右的GaN外延片上,采用光刻和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)技術(shù),可以獲得以SiO2為掩膜的周期性結(jié)構(gòu)圖形(如正六邊形或長(zhǎng)方形),圖形尺度在300—350μm左右,間距在50μm左右.第43頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一然后在HVPE系統(tǒng)中選區(qū)生長(zhǎng),得到厚度約為50μm左右具有光滑表面的一個(gè)一個(gè)島狀結(jié)構(gòu),最后在MOCVD系統(tǒng)中生長(zhǎng)LED結(jié)構(gòu).在這些孤立的島狀結(jié)構(gòu)上直接制備LED器件(見圖).(a)長(zhǎng)方形圖形化GaN基底上的二次外延的LED外延片表面SEM圖;(b)正六邊形圖形化GaN基底上的二次外延的LED外延片表面SEM圖;(c)正六邊形圖形化GaN基底上的二次外延的LED發(fā)光時(shí)的光顯圖第44頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一化學(xué)氣相沉積(Chemicalvapordeposition，簡(jiǎn)稱CVD)反應(yīng)物質(zhì)在氣態(tài)條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)物質(zhì)沉積在加熱的固態(tài)基體表面，進(jìn)而制得固體材料的工藝技術(shù)。它本質(zhì)上屬于原子范疇的氣態(tài)傳質(zhì)過程。與之相對(duì)的是物理氣相沉積（PVD）。第45頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一PECVD系統(tǒng)（等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)）用途：主要用于鈍化及布線介子層的氮化硅、氧化硅及參雜等第46頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一為了使化學(xué)反應(yīng)能在較低的溫度下進(jìn)行，利用了等離子體的活性來促進(jìn)反應(yīng)，因而這種CVD稱為等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD).

第47頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一例子：在PECVD工藝中由于等離子體中高速運(yùn)動(dòng)的電子撞擊到中性的反應(yīng)氣體分子，就會(huì)使中性反應(yīng)氣體分子變成碎片或處于激活的狀態(tài)容易發(fā)生反應(yīng)。襯底溫度通常保持在350℃左右就可以得到良好的SiOx或SiNx薄膜，可以作為集成電路最后的鈍化保護(hù)層，提高集成電路的可靠性。第48頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一HVPE系統(tǒng)(氫化物氣相外延)用途：在GaN/藍(lán)寶石/SiC外延生長(zhǎng)GaN厚膜第49頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一外延是在特定條件下，使某物質(zhì)的原子或分子有規(guī)則排列，定向生長(zhǎng)在襯底的表面上。得到連續(xù)，完整的并與襯底晶格結(jié)構(gòu)有對(duì)應(yīng)關(guān)系的單晶層，稱為外延層，而此過程稱為外延生長(zhǎng)。第50頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一GaN/GaAs等薄膜工藝MOCVD系統(tǒng)（金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)）第51頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一MOCVD簡(jiǎn)介1968年由美國(guó)洛克威爾公司提出來的一項(xiàng)制備化合物半導(dǎo)體單品薄膜的新技術(shù)。該設(shè)備集精密機(jī)械、半導(dǎo)體材料、真空電子、流體力學(xué)、光學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)多學(xué)科為一體，是一種自動(dòng)化程度高、價(jià)格昂貴、技術(shù)集成度高的尖端光電子專用設(shè)備。主要用于GaN（氮化鎵）系半導(dǎo)體材料的外延生長(zhǎng)和藍(lán)色、綠色或紫外發(fā)光二極管芯片的制造。金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)(MOCVD)是利用金屬有機(jī)化合物作為源物質(zhì)的一種化學(xué)氣相淀積(CVD)工藝.第52頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一世界上最大的兩家MOCVD生產(chǎn)商為德國(guó)的AIXTRON和美國(guó)的VEECO。日系的MOCVD一般只在日本本土占有市場(chǎng)。第53頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一發(fā)光功率增加的主要原