引言

自1991 年GaN 藍(lán)光LED 面世后，GaN 基LED近幾年來(lái)發(fā)展迅速。目前，高效率GaN 基LED 已經(jīng)被廣泛地用于全彩顯示屏、固態(tài)照明、液晶顯示器背光源等方面。LED 以其壽命長(zhǎng)、耗電小、環(huán)保、耐沖擊、抗震等優(yōu)點(diǎn)，LED 照明市場(chǎng)增長(zhǎng)快速[1]。但是，由于在半導(dǎo)體和空氣之間折射率的差異造成的全反射而導(dǎo)致LED 表面的光提取效率較低[2，3]，典型的GaN 半導(dǎo)體材料折射率為2. 5，由全反射定律得知，光線從半導(dǎo)體逸出到空氣中全反射角的臨界值為24°角[4]，故大于24°的光線都無(wú)法從半導(dǎo)體材料中逸出。因此，全反射在很大程度上影響了LED 的光提取效率。因此，如何減少全反射，改善LED 的光提取效率成為如今研究熱點(diǎn)之一[5]。本文主要介紹了對(duì)LED 芯片表面或芯片內(nèi)部的幾種微結(jié)構(gòu)的加工，它們都能夠起到提高LED 出光效率的作用。

1 LED 表面微結(jié)構(gòu)技術(shù)

傳統(tǒng)的GaN 基LED 是利用化學(xué)氣相沉積( MOCVD) 技術(shù)在560°C 左右的藍(lán)寶石基底上分別沉積摻雜Si 的n 型GaN 材料和摻雜Mg 的p 型GaN材料，兩種材料之間形成量子阱( MQW) 。在p 型GaN 材料上再鍍上一層ITO 膜( 氧化銦錫) ，該金屬氧化物透明導(dǎo)電膜作為透明電極，其作用是增強(qiáng)電極出光亮度以及隔離芯片中發(fā)射的對(duì)人類(lèi)有害的電子輻射、紫外線及遠(yuǎn)紅外線等[6]。LED 的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

清華大學(xué)的張賢鵬等人[8]采用基于Cl2 /Ar /

BCl3氣體的感應(yīng)耦合等離子體( ICP) 刻蝕技術(shù)制作了p-GaN 表面具有直徑3μm、周期6μm 的微結(jié)構(gòu)。該微結(jié)構(gòu)將GaN 基藍(lán)光LED 芯片的光熒光效果提高了42. 8%，并且在LED 器件注入電流為20mA 的情況下，將芯片正面出光效率提高了38%，背面出光效率提高了10. 6%。

加州大學(xué)的Schnitzer 等[7]對(duì)LED 芯片進(jìn)行表面微結(jié)構(gòu)處理的做法是利用自然光刻法將LED 芯片的出光表面做一個(gè)粗糙化處理，使得LED 芯片的出光表面變得粗糙不均勻，粗糙化后的芯片結(jié)構(gòu)如圖2 所示。如圖3 所示，當(dāng)光波傳遞到不均勻表面時(shí)，由于粗糙表面的光散射，這樣，半導(dǎo)體內(nèi)更多的光可以傳播到空氣中。粗糙化的LED 芯片其出光效率可以達(dá)到約16. 8%，而一般的環(huán)氧樹(shù)脂封裝LED 的光取出效率非常低，僅能達(dá)到4% 左右[1]。粗糙化后的LED 芯片結(jié)構(gòu)在SEM 下掃描結(jié)果如圖4 所示。

2 LED 芯片表面雙層微結(jié)構(gòu)技術(shù)

LED 芯片表面雙層結(jié)構(gòu)指的是在p 型GaN 半導(dǎo)體上出光表面和ITO 透明導(dǎo)電電極的上表面各加工上一層微結(jié)構(gòu)。這種雙層微結(jié)構(gòu)的LED 芯片的出光效率較普通的LED 芯片提高了近40%。J. H. Kang 等人[11]設(shè)計(jì)的雙層微結(jié)構(gòu)LED 芯片的制作方法如圖5 所示，先在LED 芯片的p 型GaN 半導(dǎo)體材料上表面沉積一層200nm 厚的ITO透明導(dǎo)電膜( 如圖5( a) ) ，再用5% 的稀鹽酸浸泡約30s，由于稀鹽酸對(duì)ITO 膜的腐蝕作用，200nm 的ITO 薄膜將被腐蝕成直徑約為200nm 的ITO 納米導(dǎo)電球體( 如圖5( b) ) ，此時(shí)，微小的ITO 納米球作為后續(xù)蝕刻處理中的掩膜結(jié)構(gòu)，通過(guò)電感耦合等離子蝕刻( ICP) 后，由于納米球的保護(hù)作用，刻蝕后的芯片p 型GaN 材料的上表面形成紋理微結(jié)構(gòu)( 如圖5( c) ) ，最后在ITO 納米導(dǎo)電球體表面再沉積上氧化銦錫材料，從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)在LED 芯片的上表面形成一種雙層的微結(jié)構(gòu)[10]( 如圖5( d) ) 。

該雙層微結(jié)構(gòu)的頂視圖和截面圖用SEM 掃描圖如圖6 所示，從頂視圖上可以看出許多圓球形的ITO 納米球無(wú)規(guī)則的附著在ITO 透明導(dǎo)電膜之上，圖6 SEM 掃描得到的雙層微結(jié)構(gòu)LED芯片表面頂視圖和截面圖[10]形成第一層的微結(jié)構(gòu)。從截面圖上可以看出，p 型GaN 基材的表面也呈現(xiàn)不規(guī)則的凹凸不平整結(jié)構(gòu)，形成第二層的微結(jié)構(gòu)。

經(jīng)雙層微結(jié)構(gòu)加工之后的LED 芯片出光效率較未加工的LED 芯片提高了許多，如圖7 所示，加工微結(jié)構(gòu)后的芯片正面輸出光效率比未加工的芯片提高約70%，背面出光效率也比未加工的芯片提高約71. 5%。正面出光效率的增加是由于粗糙的表面導(dǎo)致出射光的散射效應(yīng)，使得有更多的光朝著隨機(jī)方向傳播，有更多的光可以從上表面出射。而芯片背面的出光效率增強(qiáng)也是由于粗糙上表面對(duì)出射光的散射效應(yīng)，使得由上表面反射至下表面的光也變得雜亂無(wú)規(guī)則，以此增強(qiáng)了下表面的出光效率[11]。

J. H. Kang 等人[11]通過(guò)對(duì)芯片進(jìn)行雙層微結(jié)構(gòu)的加工，可以大幅度提升其光學(xué)性能，能夠得到比較好的外量子效率。但是該技術(shù)也有其缺陷，由于加工過(guò)程中的沉積和蝕刻都有比較大的隨機(jī)性。生產(chǎn)的重復(fù)性不好，并且由于對(duì)p 型GaN 半導(dǎo)體材料表面的粗糙化，難免會(huì)破壞LED 芯片中的p-GaN 層，影響了芯片的電學(xué)性能，由于微結(jié)構(gòu)的加工，芯片的方阻會(huì)有所提升。

3 LED 芯片表面二維光子晶體結(jié)構(gòu)的加工

光子晶體( Photonic Crystal) 即光子禁帶材料，是一類(lèi)在光學(xué)尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工設(shè)計(jì)及制造的晶體[12]。由于晶粒之間存在的周期性，光子晶體間會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似于半導(dǎo)體禁帶結(jié)構(gòu)的光子帶隙( Photonic band gap) 。當(dāng)電磁波在光子帶隙中傳播時(shí)，由于存在布拉格散射效應(yīng)，故光子晶體具有調(diào)制相應(yīng)波長(zhǎng)電磁波的能力。1997 年，S. H. Fan 等人[13]首次研究了光子晶體對(duì)LED 自發(fā)輻射能量及空間分布的影響。光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖如圖8。

J. H. Kang 等人[11]通過(guò)對(duì)芯片進(jìn)行雙層微結(jié)構(gòu)的加工，可以大幅度提升其光學(xué)性能，能夠得到比較好的外量子效率。但是該技術(shù)也有其缺陷，由于加工過(guò)程中的沉積和蝕刻都有比較大的隨機(jī)性。生產(chǎn)的重復(fù)性不好，并且由于對(duì)p 型GaN 半導(dǎo)體材料表面的粗糙化，難免會(huì)破壞LED 芯片中的p-GaN 層，影響了芯片的電學(xué)性能，由于微結(jié)構(gòu)的加工，芯片的方阻會(huì)有所提升。

3 LED 芯片表面二維光子晶體結(jié)構(gòu)的加工

光子晶體( Photonic Crystal) 即光子禁帶材料，是一類(lèi)在光學(xué)尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工設(shè)計(jì)及制造的晶體[12]。由于晶粒之間存在的周期性，光子晶體間會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似于半導(dǎo)體禁帶結(jié)構(gòu)的光子帶隙( Photonic band gap) 。當(dāng)電磁波在光子帶隙中傳播時(shí)，由于存在布拉格散射效應(yīng)，故光子晶體具有調(diào)制相應(yīng)波長(zhǎng)電磁波的能力。1997 年，S. H. Fan 等人[13]首次研究了光子晶體對(duì)LED 自發(fā)輻射能量及空間分布的影響。光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖如圖8。

J. H. Kang 等人[11]通過(guò)對(duì)芯片進(jìn)行雙層微結(jié)構(gòu)的加工，可以大幅度提升其光學(xué)性能，能夠得到比較好的外量子效率。但是該技術(shù)也有其缺陷，由于加工過(guò)程中的沉積和蝕刻都有比較大的隨機(jī)性。生產(chǎn)的重復(fù)性不好，并且由于對(duì)p 型GaN 半導(dǎo)體材料表面的粗糙化，難免會(huì)破壞LED 芯片中的p-GaN 層，影響了芯片的電學(xué)性能，由于微結(jié)構(gòu)的加工，芯片的方阻會(huì)有所提升。

3 LED 芯片表面二維光子晶體結(jié)構(gòu)的加工

光子晶體( Photonic Crystal) 即光子禁帶材料，是一類(lèi)在光學(xué)尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工設(shè)計(jì)及制造的晶體[12]。由于晶粒之間存在的周期性，光子晶體間會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似于半導(dǎo)體禁帶結(jié)構(gòu)的光子帶隙( Photonic band gap) 。當(dāng)電磁波在光子帶隙中傳播時(shí)，由于存在布拉格散射效應(yīng)，故光子晶體具有調(diào)制相應(yīng)波長(zhǎng)電磁波的能力。1997 年，S. H. Fan 等人[13]首次研究了光子晶體對(duì)LED 自發(fā)輻射能量及空間分布的影響。光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖如圖8。

J. H. Kang 等人[11]通過(guò)對(duì)芯片進(jìn)行雙層微結(jié)構(gòu)的加工，可以大幅度提升其光學(xué)性能，能夠得到比較好的外量子效率。但是該技術(shù)也有其缺陷，由于加工過(guò)程中的沉積和蝕刻都有比較大的隨機(jī)性。生產(chǎn)的重復(fù)性不好，并且由于對(duì)p 型GaN 半導(dǎo)體材料表面的粗糙化，難免會(huì)破壞LED 芯片中的p-GaN 層，影響了芯片的電學(xué)性能，由于微結(jié)構(gòu)的加工，芯片的方阻會(huì)有所提升。

3 LED 芯片表面二維光子晶體結(jié)構(gòu)的加工

光子晶體( Photonic Crystal) 即光子禁帶材料，是一類(lèi)在光學(xué)尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工設(shè)計(jì)及制造的晶體[12]。由于晶粒之間存在的周期性，光子晶體間會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似于半導(dǎo)體禁帶結(jié)構(gòu)的光子帶隙( Photonic band gap) 。當(dāng)電磁波在光子帶隙中傳播時(shí)，由于存在布拉格散射效應(yīng)，故光子晶體具有調(diào)制相應(yīng)波長(zhǎng)電磁波的能力。1997 年，S. H. Fan 等人[13]首次研究了光子晶體對(duì)LED 自發(fā)輻射能量及空間分布的影響。光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖如圖8。

J. H. Kang 等人[11]通過(guò)對(duì)芯片進(jìn)行雙層微結(jié)構(gòu)的加工，可以大幅度提升其光學(xué)性能，能夠得到比較好的外量子效率。但是該技術(shù)也有其缺陷，由于加工過(guò)程中的沉積和蝕刻都有比較大的隨機(jī)性。生產(chǎn)的重復(fù)性不好，并且由于對(duì)p 型GaN 半導(dǎo)體材料表面的粗糙化，難免會(huì)破壞LED 芯片中的p-GaN 層，影響了芯片的電學(xué)性能，由于微結(jié)構(gòu)的加工，芯片的方阻會(huì)有所提升。中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文·LED照明

3 LED 芯片表面二維光子晶體結(jié)構(gòu)的加工

光子晶體( Photonic Crystal) 即光子禁帶材料，是一類(lèi)在光學(xué)尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工設(shè)計(jì)及制造的晶體[12]。由于晶粒之間存在的周期性，光子晶體間會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似于半導(dǎo)體禁帶結(jié)構(gòu)的光子帶隙( Photonic band gap) 。當(dāng)電磁波在光子帶隙中傳播時(shí)，由于存在布拉格散射效應(yīng)，故光子晶體具有調(diào)制相應(yīng)波長(zhǎng)電磁波的能力。1997 年，S. H. Fan 等人[13]首次研究了光子晶體對(duì)LED 自發(fā)輻射能量及空間分布的影響。光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖如圖8。

光子晶體具有三種特性: 能夠利用光子帶隙遮蔽光; 具有異向性，通過(guò)光子晶體的光會(huì)無(wú)規(guī)則的散射; 光子晶體曲線變化非常快，同波長(zhǎng)有關(guān)。光子晶體可分為三類(lèi): 一維、二維、三維結(jié)構(gòu)。一維的光子晶體只能在很小的角度范圍內(nèi)發(fā)出衍射光，不能衍射平面任意角度的入射光; 由于技術(shù)限制，制備符合規(guī)范的三維結(jié)構(gòu)光子晶體目前還比較困難。而二維光子晶體可以衍射較大角度上的入射光，因此目前主要用二維的光子晶體來(lái)提高LED 的出光效率[14]。影響其出光效率的主要因素有光子晶體結(jié)構(gòu)、晶粒高度、晶格常數(shù)等。

利用光子晶體結(jié)構(gòu)提高LED 出光效率主要有兩種原理[15， 16]。第一是利用了光子晶體的禁帶效應(yīng)原理，禁帶效應(yīng)原理主要表現(xiàn)在: 頻率落在禁帶范圍內(nèi)的光子被禁止傳播，如果LED 芯片上集成了光子晶體結(jié)構(gòu)，當(dāng)LED 中導(dǎo)光模的頻率落在光子晶體的禁帶以?xún)?nèi)時(shí)，光波將被耦合成在自由空間中的輻射模式，在這種情況下，可以大幅增加光的提取效應(yīng)。第二種是利用光子晶體的光柵衍射效應(yīng)。光子晶體構(gòu)成了一種類(lèi)光柵的結(jié)構(gòu)，當(dāng)光束進(jìn)入p 型GaN 的表層的出射光和周期與光波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)墓鈻沤Y(jié)構(gòu)發(fā)生作用時(shí)，光波就會(huì)被調(diào)制，一些本來(lái)難以出射的光束被耦合成出射光，如圖9 所示，由于光柵衍射效應(yīng)，原本因全反射被限制在p 型GaN 半導(dǎo)體材料中的光束可以出射到空間中，則可以提高LED 芯片的出光效率和控制光的空間分布。其中，Chia-HsinChao 等人[17]研制的定向光提取光子晶體氮化鎵薄膜LED 輸出功率較無(wú)光子晶體的氮化鎵薄膜LED提高了多達(dá)77%，并且通過(guò)設(shè)計(jì)改善光子晶體的排布模式和晶格方向可以使LED 的出光限制在較小的范圍之內(nèi)。

目前主要的制造光子晶體結(jié)構(gòu)的技術(shù)有納米壓印光刻( NIL) 、電子束光刻( EBL) 、激光全息光刻法( LHL) [18]，通過(guò)光子晶體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，減少了光在LED 芯片內(nèi)的傳播和消耗，實(shí)現(xiàn)了LED 外量子效率的提高。光子晶體LED 的發(fā)光效率最多可以提高140%。

4 LED 雙光柵微結(jié)構(gòu)技術(shù)

在LED 中引入光柵微納光學(xué)結(jié)構(gòu)的方法可以有效地增強(qiáng)LED 芯片的出光效率。其中，利用單光柵結(jié)構(gòu)的LED 的光提取效率已有大幅提高，但由于一維光柵結(jié)構(gòu)只能衍射單個(gè)方向上的光[19]，沿著光柵方向傳播的光仍然被全反射效應(yīng)限制，出光效率仍然受到較大限制。

清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)室[20]設(shè)計(jì)了一種GaN 基的雙光柵微納結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)如圖10( a) 所示。其中第一個(gè)光柵G1加工在上表面的ITO 層上，第二個(gè)光柵G2刻蝕在GaN 層的下表面，兩個(gè)光柵的刻線方向相互垂直，這樣那些在G1處全反射的光線經(jīng)G2的光柵衍射后，使其入射角小于出射臨界角，再經(jīng)過(guò)G1輻射出去。其原理如圖10( b) 所示。因此，雙光柵結(jié)構(gòu)可以有效的提取因全反射而受限制的出射光。雙光柵結(jié)構(gòu)LED 可以提取出傳統(tǒng)LED 中大部分因全反射而無(wú)法出射的受限光，根據(jù)研究者的軟件評(píng)價(jià)結(jié)果可以表明，這種LED 的理論光提取效率可以達(dá)到48. 5%[20]，較傳統(tǒng)LED 高了約6. 3 倍。

5 結(jié)論

作為第三代照明光源，發(fā)光二極管( LED) 的使用已經(jīng)日益廣泛，LED 發(fā)光效率的提高對(duì)于降低功耗、節(jié)約能源有著重大的意義。目前，GaN 基LED的內(nèi)量子效率已經(jīng)達(dá)到90%，但由于受全反射影響，普通LED 的外量子效率僅為5%。利用LED 芯片表面的微結(jié)構(gòu)加工，可以大幅改善LED 的出光效率。但由于微納結(jié)構(gòu)加工的重復(fù)性不好以及加工過(guò)程中對(duì)半導(dǎo)體材料的電學(xué)特性有所影響，這些因素都會(huì)影響到LED 芯片的出光效率以及增加芯片能耗。因此，優(yōu)化和改善微納結(jié)構(gòu)加工工藝以及將微結(jié)構(gòu)加工與其他提高出光效率的技術(shù)相互結(jié)合，是未來(lái)的研究趨勢(shì)。

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