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1、發(fā)光二極管光取出原理及方法,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,LED發(fā)光效率,光子數(shù)與電子空穴復合數(shù)之比 電子空穴對能量與外部電源功率之比,電光轉換效率(Wall-plug Efficiency)：半導體發(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，要改進電光轉換效率就要改進內(nèi)部量子效率和高的光取出效率。,影響光取出效率的三個原因 1，材料本身的吸收。解決措施：厚的窗口層（window layer）或電流分布層使電
2、流均勻分布并增大表面透過率；用電流局限技術（Current Blocking）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置反射鏡將光反射至表面 2，菲涅爾損失：當光從折射率為n1的某種物質(zhì)到折射率為n2的某種物質(zhì)時，一部分光會被反射回去。菲涅爾損失系數(shù)為 若n1=3.4,n2=1,則 ，也就是70.2的光可以投射半導體與空氣的界面,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（Semispherical Dome），放在LED芯片上，可以大大增加臨界角，但是制造成本同時增加,一種經(jīng)
3、濟的減少全反射的方法是將p-n結用環(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構,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，希望能達到99左右。然后需要改進內(nèi)部結構以利于電流分布以及減少光吸收。 一、采用異質(zhì)結結構,LED 發(fā)光機制,PN結注入發(fā)光能帶圖,異質(zhì)結注入發(fā)光,例如，對于藍光LED中采用的InGaN-GaN異質(zhì)結，發(fā)光波長在460nm附近時，帶隙約為2.7 eV，相當于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，進入p區(qū)后不會引起本征吸收，即禁帶寬度較大的p區(qū)
4、對這些光子是透明的。,二、采用最佳活性層,下圖是南昌大學教育部發(fā)光材料國家重點實驗室制備的InGaN/ GaN量子阱，數(shù)目為5個,Si (111) 襯底上的InGaN/ GaN MQW的TEM (a) 明場像; (b) 高分辨像,從圖中可以看出量子阱為5 個周期,且阱( InGaN) 和壘( GaN) 界面明銳,表明生長的量子阱結構質(zhì)量良好;圖 ( b) 是該樣品InGaN/ GaNMQW 的高分辨像,由于In 原子對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,由標尺量得阱( InGaN) 層厚約為2nm
5、,壘( GaN)層厚約為815nm,勢阱沿z方向很窄，電子在z方向被局限在幾個到幾十 個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。電子在分立能級之間躍遷而輻射發(fā)光。,惠普公司采用4個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。,2.3 改進內(nèi)部結構，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%。,
6、,解決這個問題的一個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、化學性質(zhì)穩(wěn)定、導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。,,ITO薄膜在可見光波段具有很好的透光率，尤其在波長為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(1.63.3eV)的能量不足以將價帶的電子激發(fā)到導帶。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發(fā)生，ITO對可見
7、光透明,二、生長分布布喇格反射層（DBR）結構,DBR（distributed bragg reflector）結構早在20世紀80年代R.D.Burnham 等人提出，如圖1所示。,,它是兩種折射率不同的材料周期交替生長的層狀結構，厚度一般為波長的1/4，它在有源層和襯底之間，能夠將射向襯底的光反射回表面或側面，可以減少襯底對光的吸收，提高出光效率. DBR 結構直接利用MOCVD設備（金屬有機化學氣相沉積系統(tǒng)）進行生長，無須再次加工處理。,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條件的改變，導致一定波長的光波發(fā)生相應的模式禍合，使得其透射光譜和反射光譜對該波長出現(xiàn)奇異
8、性。,這樣，人們開始在LED 中生長不同種類的DBR 結構來減小襯底對光的吸收。材料的折射率與DBR 的反射效果有直接關系，折射率差（n）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 的對數(shù)（pair），對數(shù)越高，反射效果越好。,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。,,透明襯底可以在LED晶片生長結束后，移去吸光的n-GaAs 襯底，利用二次外延生長出透明的、寬禁帶的導電層。 也可以先在n-GaAs 襯底片上生長厚50mm 的透明層（比如AlG
9、aAs），然后再移去GaAs襯底。這兩種技術的問題在于透明層的價格昂貴,難于生長，而且與高質(zhì)量的有源層之間匹配不好。,另外一種技術就是bonding（粘合）技術。它是指將兩個不同性質(zhì)的晶片結合到一起，并不改變原來晶體的性質(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窗口層的三明治結構。,允許光從六個面出射，因而提高了出射效率。 根據(jù)1996年的報道，636 nm的TS-LED 外量子 效率可以達到23.7%；607.4 nm 的TS-LED 的 發(fā)光效率達到50.1m/W。,四、倒金字塔形
10、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光的吸收。光在內(nèi)部反射的次數(shù)越多，路徑越長，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這種新技術在1999年被提出。它是在透明襯底LED基礎上的再次加工。將bonding后的LED 晶片倒置，切去四個方向的下角，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。,LED的這種幾何外形可以使內(nèi)部反射的光從側壁的內(nèi)表面再次傳播到上表面，而以小于臨界角的角度出射。同時使那些傳播到上表面大于臨界角的光重新從側面出射。這兩種過程能同時減小光在
11、內(nèi)部傳播的路程。,五、表面粗化技術,機理：將LED的表面做得適當粗糙，其粗糙尺度大約在出射光的半波長，當光射到這個不均勻的媒體介質(zhì)表面時，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的角度散射出來。,ITO表面粗化工藝是:用光刻膠對部分ITO表面進行保護，接著用等離子體干法刻蝕對ITO表面進行粗化。,實例：ITO表面粗化對出光效率的影響,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)光強度明顯高于傳統(tǒng)的LED芯片。 在20mA的驅動電流下，表面粗化的LED芯片的發(fā)光強度大約為 120mcd，但傳統(tǒng)的LED芯片大約只有70mcd。ITO薄膜的表面
12、粗化工藝使LED芯片的發(fā)光強度提高了70%。,六、更換襯底,AlGaInP和AlGaInN基二極管外延片所用的襯底分別為GaAs和藍寶石,它們的導熱性能都較差.為了更有效地散熱和降低結溫,可通過除掉原來用于生長外延層的襯底,將外延層鍵合轉移到導電和導熱性能良好的襯底上,如銅、鋁、金錫合金、氮化鋁等.,藍寶石襯底剝離技術,鍵合剝離技術主要由3個關鍵工藝步驟完成:,(1)在外延表面淀積鍵合金屬層如Pd 100nm,以及在鍵合底板上如Si底板表面淀積一層1000nm的銦;,(2)將外延片低溫鍵合到底板上;,(3)用KrF脈沖準分子激光器照射藍寶石底面,使藍寶石和GaN 界面的GaN 產(chǎn)生熱分解,再通
13、過加熱(40)使藍寶石脫離GaN.,2003年,Osram運用鍵合、激光剝離、表面微結構化和使用全反射鏡等技術途徑,使其最新研發(fā)的ThinGaN TOPLED芯片出光效率達到75% 。 在20mA 驅動電流下,發(fā)光功率已達13mW ( 470nm) ,封成的白光二極管發(fā)光效率大于50 lm/W,是傳統(tǒng)芯片的3倍。 大功率照明LED芯片在350mA 驅動電流下,芯片的發(fā)光功率達182mW (470nm) ,封成白光二極管后,產(chǎn)生43lm,發(fā)光效率約40lm/W。,七、圖形化GaN和藍寶石襯底,在2m左右的GaN外延片上,采用光刻和等離子體增強化學氣相淀積(PECVD)技術,可以獲得以SiO2為掩
14、膜的周期性結構圖形(如正六邊形或長方形),圖形尺度在300350m左右,間距在50m左右.,然后在HVPE系統(tǒng)中選區(qū)生長,得到厚度約為50m左右具有光滑表面的一個一個島狀結構,最后在MOCVD系統(tǒng)中生長LED 結構.在這些孤立的島狀結構上直接制備LED器件(見圖).,(a)長方形圖形化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)光時的光顯圖,化學氣相沉積(Chemical vapor deposition，簡稱CVD),反應物質(zhì)在氣態(tài)條件下發(fā)生化學反應，生成固態(tài)物
15、質(zhì)沉積在加熱的固態(tài)基體表面，進而制得固體材料的工藝技術。它本質(zhì)上屬于原子范疇的氣態(tài)傳質(zhì)過程。與之相對的是物理氣相沉積（PVD）。,PECVD系統(tǒng) （等離子體化學氣相沉積系統(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,,為了使化學反應能在較低的溫度下進行，利用了等離子體的活性來促進反應，因而這種CVD稱為等離子體增強化學氣相沉積(PECVD).,,例子：在PECVD工藝中由于等離子體中高速運動的電子撞擊到中性的反應氣體分子，就會使中性反應氣體分子變成碎片或處于激活的狀態(tài)容易發(fā)生反應。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
16、層，提高集成電路的可靠性。,HVPE系統(tǒng) (氫化物氣相外延 ),用 途：在 GaN/ 藍寶石/SiC外延生長GaN 厚膜,,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，定向生長在襯底的表面上。得到連續(xù)，完整的并與襯底晶格結構有對應關系的單晶層，稱為外延層，而此過程稱為外延生長。,GaN/GaAs等薄膜工藝,MOCVD 系統(tǒng) （金屬有機化學氣相沉積系統(tǒng) ）,MOCVD簡介,1968 年由美國洛克威爾公司提出來的一項制備化合物半導體單品薄膜的新技術。 該設備集精密機械、半導體材料、真空電子、流體力學、光學、化學、計算機多 學科為一體，是一種自動化程度高、價格昂貴、技術集成度高的尖端光電子專
17、用設備。 主要用于GaN（氮化鎵）系半導體材料的外延生長和藍色、綠色或紫外發(fā)光二極管芯片的制造。 金屬有機化學氣相沉積系統(tǒng)(MOCVD)是利用金屬有機化合物作為源物質(zhì)的一種化學氣相淀積(CVD)工藝.,,世界上最大的兩家MOCVD生產(chǎn)商為德國的AIXTRON和美國的VEECO。 日系的MOCVD一般只在日本本土占有市場。,發(fā)光功率增加的主要原因有HVPE外延厚膜中位錯密度降低導致內(nèi)量子效率提高,由于紫光對位錯更敏感,所以變化更大; 島狀結構導致光出射效率ext提高,正向壓降略有變化. 位錯：由于晶體的塑性變形而提出的一種原子排列缺陷模型,(a)示意圖和AFM圖; (b)LED外延結構示意圖和剖
18、面透射電鏡觀測圖;,(c) LED器件示意圖和器件表面掃描電鏡觀測圖,平面和開槽藍寶石襯底上外延的LED的L - I曲線,八、提高載流子注入效率的方法,由于空穴的遷移率和擴散長度遠遠小于電子,因此提高載流子注入效率的方法主要是提高空穴的注入和降低電子的泄漏. 具體方法有: 優(yōu)化p-GaN的生長; 在MQW 前插入電子隧穿勢壘層ETB;在MQW的量子勢壘層中,加入適量Al并優(yōu)化電子阻擋層的設計.,優(yōu)化p-GaN的生長主要是提高空穴的遷移率,使得空穴能夠有效地注入到更多的量子阱中參與發(fā)光;電子隧穿層ETB 一般為n-AlGaN,當注入的電子穿過ETB勢壘層時,可以降低注入電子的能量,從而減少注入電子的泄漏; MQW的量子勢壘層中加入適量Al可以提高量子勢壘的高度,從而可以更好地限制住注入的電子; 優(yōu)化電子阻擋層一方面可以很好地限制電子,另一方面又不增加太大的串聯(lián)電阻,但整體上可以提高發(fā)光效率.,
發(fā)光二極管光取出原理及方法
