第三讲 发光二极管光取出原理及方法.ppt

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,发光二极管光取出原理及方法,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,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,电光转换效率,(Wall-plug Efficiency),：,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。,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（,window layer,）,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（,Current Blocking,）,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,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（,Semispherical Dome,），,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,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,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,LED,发光机制,PN,结注入发光能带图,异质结注入发光,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,2.7,eV,，,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。,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,Si(111),衬底上的,InGaN,/,GaN,MQW,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,8,1,5nm,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。,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,。,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%,。,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。,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,(1.63.3eV),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,二、,生长分布布喇格反射层,（,DBR,）,结构,DBR,（,distributed,bragg,reflector,）,结构早在,20,世纪,80,年代,R.D.Burnham,等人提出，如图,1,所示。,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。,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。,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（,n,）,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。,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。,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,50,m,m,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。,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。,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，,636 nm,的,TS-LED,外量子,效率可以达到,23.7%,；,607.4 nm,的,TS-LED,的,发光效率达到,50.1m/W,。,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。,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。,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。,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,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%,。,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,.,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,Pd 100nm,以及在键合底板上如,Si,底板表面淀积一层,1000nm,的铟,;,(2),将外延片低温键合到底板上,;,(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,.,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,ThinGaN,TO,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,50 lm/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,。,七、图形化,GaN,和蓝宝石,衬底,在,2m,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,SiO,2,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,300350m,左右,间距在,50m,左右,.,然后在,HVPE,系统中选区生长,得到厚度约为,50m,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,化学气相沉积,(Chemical vapor deposition,，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,）。,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,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).,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。,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,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。,GaN/GaAs,等薄膜工艺,MOCVD,系统,（金属有机化学气相沉积系统）,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,.,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。,发光功率增加的主要原因有,HVPE,外延厚膜中位错密度降低导致内量子效率提高,由于紫光对位错更敏感,所以变化更大,;,岛状结构导致光出射效率,ext,提高,正向压降略有变化,.,位错：,由于,晶体,的塑性变形而提出的一种,原子,排列缺陷模型,(a),示意图和,AFM,图,;(,b)LED,外延结构示意图和剖面透射电镜观测图,;,(c)LED,器件示意图和器件表面扫描电镜观测图,平面和开槽蓝宝石衬底上外延的,LED,的,L,-,I,曲线,八、提高载流子注入效率的方法,由于空穴的迁移率和扩散长度远远小于电子,因此提高载流子注入效率的方法主要是提高空穴的注入和降低电子的泄漏,.,具体方法有,:,优化,p,-,GaN,的生长,;,在,MQW,前插入电子隧穿势垒层,ETB;,在,MQW,的量子势垒层中,加入适量,Al,并优化电子阻挡层的设计,.,优化,p,-,GaN,的生长主要是提高空穴的迁移率,使得空穴能够有效地注入到更多的量子阱中参与发光,;,电子隧穿层,ETB,一般为,n,-,AlGaN,当注入的电子穿过,ETB,势垒层时,可以降低注入电子的能量,从而减少注入电子的泄漏,;,MQW,的量子势垒层中加入适量,Al,可以提高量子势垒的高度,从而可以更好地限制住注入的电子,;,优化电子阻挡层一方面可以很好地限制电子,另一方面又不增加太大的串联电阻,但整体上可以提高发光效率,.,