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1、2 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。光在产生和辐射过程中的损失一般平面结构的LED都生长在具有光吸收功能的衬底上，以环氧树脂圆顶形封装。这种机构光取出效率可能低至4左右。原因：一是电流分布不当以及光被材料本身吸收；二是不易从高折射率的半导体传至低折射率的空气影响光取出效率的三个原因1，
2、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
3、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 增加光取出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。2.2.1 增加内部量子效率1、采用最佳活性层对InGaN/ GaN 量子阱而言,大部分注入电子被俘获并限制在阱层,这些被俘获的电子被电场加速到高能量,使场离化,离化的空穴与电子复合,产生光子. 但是那些未被俘获并限制于阱层的电子将形成漏电流.惠普公司采用4
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。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
5、度较为均匀,由标尺量得阱( InGaN) 层厚约为2nm ,垒( GaN)层厚约为815nm ,外延在异质衬底上的GaN失陪位错和线性位错密度一般位 ，其他的晶体缺陷包括晶界、堆垛层错，这些缺陷都是非复合中心。会在带隙中引入能量态和降低少数载流子的寿命。缺陷会提高器件的阈值电压和反向漏电流，降低载流子迁移率和热导率。这些不利效应将阻止理想性能的复杂结构的、大面积大功率器件的制备2 改进材料的质量2.3 改进内部结构1、改善电流分布蓝光LED外延层由沉积在蓝宝石衬底上的N型GaN、InGaN/GaN多量子阱和顶层的P型GaN构成。电子和空穴在作为发光区的量子阱里结合产生光子。光子经过P型的透明或
6、半透明电极，透射出LED器件。GaN和相关的半导体材料被看作是制作蓝光和紫外波段的LED最为合适的材料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
7、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对可见光透明从图3一5中可以看出在高电流时，ITO的P型接触的具有更高的输出光功率和更好的光电转换效率。在驱动电流为20mA时，ITO的P型接触的LED的光输出功率为5mw，而Ni/Au的只有3mw。因此，ITO工艺的LED相对于Ni/Au工艺的光输出功率提高了60%。补充 ：LED
8、发光机制1、p-n结注入发光p-n结处于平衡时，存在一定的势垒区，其能带如图。如加一正向偏压，由于势垒区载流子浓度很小，电阻很大，外加电压基本降落在势垒区，削弱了势垒区的内建电场，势垒减小。p-n结注入发光能带图载流子的扩散和漂移之间的平衡被打破，扩散流大于漂移流，即产生电子由n区注入p区和空穴由p区注入n区的净扩散流，如图所示。这些进入p区的电子和进入n的空穴都是非平衡少数载流子，非平衡少子边扩散边与多数载流子复合而发光，经过比扩散长度大几倍的距离后，全部被复合，这段区域称为扩散区，这就是p-n结中的非平衡载流子注入发光。2、异质结注入发光为了提高少数载流子的注入效率，可以采用异质结。图19
9、（a）表示理想的异质结能带示意图。当加正向偏压时，势垒降低。但由于p区和n区的禁带宽度不等，势垒是不对称的。加上正向偏压，如图19（b），当两者的价带达到等高时，p区的空穴由于不存在势垒，不断向n区扩散，保证了空穴（少数载流子）向发光区的高注入效率。对于n区的电子，由于存在势垒E（=Eg1-Eg2），不能从n区注入p区。这样，禁带较宽的区域成为注入源（图中的p区），而禁带宽度较小的区域（图中n区）成为发光区。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
10、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。因此，异质结发光二极管中禁带宽的部分（注入区）同时可以作为辐射光的透出窗，可以制成正面出光的LED3、量子阱发光在禁带较宽的GaN材料上异质外延一层极薄的InGaN阱层，然后再异质外延厚的GaN垒层，形成量子阱结构。如果不考虑这种结构中InGaN与GaN间电子和空穴交换而引起的能带弯曲，则其能带图如图20（a）所示，当外加电流注入时，电子发生迁移，掉入势阱中，只要InGaN夹层足够薄，其中的电子和空穴就可以视为处于量子阱中，如图20（b）。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
11、生分立能级。电子在分立能级之间跃迁而辐射发光。2 生长分布布喇格反射层（DBRDBR）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设备进行生长，无须再次加工处理。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
12、（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。3 制作透明衬底LEDLED（TS-LEDTS-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。另外一种技术就是bonding
13、（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。3 倒金字塔形LEDLED这种方法旨在减小光在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
14、，可以缩短光在LED 内部反射的路程。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。4 表面粗化技术光波在密度均匀介质中传播时，次波相干迭加的结果是遵循几何光学定律的光线。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
15、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目的：透射率的增加被认为是表面粗糙化的主要功能,优化的表面粗糙(430nm球状起伏表面)可使出光效率达到54%.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
16、表面粗化工艺使LED芯片的发光强度提高了70%。由于采用的是相同的外延片，因此表面粗化的LED芯片和传统的LED芯片具有相同的内量子效率。从而，可以推断出，LED芯片的表面粗化工艺提高了芯片的出光效率。当上述芯片用环氧树脂封装成LED灯时，表面粗化过的LED同传统的相比仍然具有更高的发光强度，以及光的空间分布角度更大。环氧树脂的折射率为1.5，而ITO的折射率为1.9。由于折射率的不同，粗化的ITO表面可以改变从LED到环氧树脂的光路。这种光路的改变可以减少光在界面的内反射几率。键合剥离技键合剥离技术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
17、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.采用金属键合技术制备InGaAlP/Si衬底照明LED芯片是一种价廉而有效的方式. 制作工艺过程主要包括以下步骤: (1)在LED外延片的顶部淀积栅格状的欧姆接触层和高反射率的金属层. 为了在560650nm波长范围内获得较高的反射率,可以选择Au, Al或Ag金属材料; (2)将焊料层淀积在Si衬底上; (3)通过低温焊料层将带有金属反射层的外延片键合到硅衬底上; (4)采用化学腐蚀或机械研磨加化学腐蚀的方法将吸光的GaAs衬底去掉;(5)在新裸露
18、的底部淀积欧姆接触并退火. Osram利用外延片键合剥离技术移去具有吸光性的GaAs衬底材料外,又在键合界面制备倒装金字塔形微观反射结构和表面微结构,提升界面反光效率和正面出光效率,其618nm芯片的发光效率可达9698lm/W,Wall-Plug效率为33% ,在70mA驱动电流下,单芯片可发出12lm的光.Osram倒装金字塔形微观反射结构AlInGaP基芯片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
19、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.AlGa InN基LED芯片键合剥离关键工艺步骤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 TOPLED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.如果将芯片键合到Cu片上,再激光
20、剥离蓝宝石衬底,可使散热能力提高4倍. Si的热导率比GaAs和蓝宝石都好,而且易于加工,价格便宜,是功率型芯片的首选材料.5 图形化图形化GaN基底上的二次外延基底上的二次外延在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
21、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发光时的光显图相对于常规结构的LED,此种岛状结构的LED发光波长平均红移1530nm(归因于HVPE外延获得较大晶格常数和较窄能带的GaN),发光功率增加1倍(蓝光)和6倍左右(紫光) ,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ex提高,正向压降略有变化.6图形化蓝宝石衬底图形化蓝宝石衬底 开槽蓝宝石衬底( grooved sapphire sub2strate
22、s):在C 面蓝宝石衬底刻出条宽为23m左右、间距48m左右、深度60nm1.4m左右的周期性结构,然后在其上生长常规结构的LED外延片. 相对无结构的蓝宝石衬底的LED外延片,此开槽蓝宝石衬底所生长的LED 外延片侧向外延,使得位错密度降低,从而提高了外延片的晶体品质,相应的光学、电学性能也得到改善,实验证实,阴极荧光谱(CL谱)和电致发光谱(EL谱)强度都有增强, EL(波长为465nm)强度增加25%35%左右,饱和电流高,器件稳定性好.平面和开槽蓝宝石衬底上外延的LED的L - I曲线非条形的图形化蓝宝石衬底就是在蓝宝石衬底上采用不同的光刻技术, 形成周期性的尺度在10m之内的图形结构
23、(如圆形、六边形和长方形等). 一方面,图形化蓝宝石衬底可以引入侧向外延的外延特性,从而降低位错密度,使得内量子效率提高;另一方面,在器件采用倒装结构时,蓝宝石衬底中的周期性图形有微透镜的作用而将增加光出射效率ex. 在间距和尺度都在3m左右的圆形图形化蓝宝石衬底上生长LED外延片(见图) ,采用激光剥离转移到Cu热沉上,倒装器件结构,在波长为409nm, 350mA下,发光功率比常规衬底上相同结构的LED提高39%. 在六边形图形化蓝宝石衬底上生长LED外延片,在波长为400nm,20mA下,发光功率和外量子效率分别为22.0mW 和35.5%;在波长为460nm, 20mA下,发光功率和外
24、量子效率分别为18.8mW和34.9%.园形图形化蓝宝石衬底: (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7 7 提高载流子注入效率提高载流子注入效率j 的方法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j 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
25、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.8 垂直结构LED垂直结构就是上下电极结构,区别于两电极都在一面的常规结构,制造这种结构主要有三种途径第一种途径是在导电性能好的衬底如Si, SiC等上生长. Si衬底由于晶格失配较大（16）,其发光效率不可能太高,因此其不可能成为主流和高端的白光照明LED; SiC衬底虽然晶格失配很小,发光效率可以
26、很高,但其昂贵的价格让人望而却步.第二种途径是在蓝宝石衬底上生长,然后通过激光剥离技术将LED薄膜转移到导电的支撑物上(如Si, Cu等) ,其在结构上的主要问题是N面的电流扩展问题,解决的方法主要有叉指型电极、ITO薄膜和外延生长中在MQW前加入电流阻挡层和电流扩展层. 电流阻挡层一般为相对高阻的非掺GaN或AlGaN,电流扩展层一般为相对低阻的高掺GaN ( Si) ,或者利用GaN /AlGaN 应变层超晶格的载流子输运的各向异性, 即横向电导远远高于纵向电导,GaN /AlGaN 同时具有电流阻挡和电流扩展的作用. 不过器件制备过程中涉及激光剥离、键合等工艺,较复杂,而且激光剥离的成品率问题一直是个难题. 对于激光剥离的成品率问题,可以采用选区外延,选区的尺度可以根据大小管芯的要求设计成不同大小的光刻图形,然后一个一个管芯逐个剥离,这样有望提高激光剥离的成品率.第三种途径是在GaN衬底上生长,类似第一种途径,可以直接形成上下电极结构, GaN衬底上属于同质外延,一定可以获得最高的发光效率. 另外, HVPE生长GaN厚膜技术发展迅速,而且激光剥离技术也相当成熟,因此获得低价格的GaN衬底指日可待.谢谢大家！谢谢大家！
