第三講發(fā)光二極管光取出原理及方法第1頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月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第3頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月電光轉換效率(Wall-plugEfficiency)：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部量子效率和高的光取出效率。第4頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月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（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（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的某種物質到折射率為n2的某種物質時，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第5頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月3，全反射損失：只有小于臨界角內的光可以完全被射出，其他的光則被反射回內部或吸收。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，但是制造成本同時增加第6頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月一種經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)化生產地單體發(fā)光二極管多采用類似結構第7頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2增加內部量子效率的方法增加光取出率，首先要增加內部量子效率，希望能達到99％左右。然后需要改進內部結構以利于電流分布以及減少光吸收。一、采用異質結結構第8頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月LED發(fā)光機制PN結注入發(fā)光能帶圖第9頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月異質結注入發(fā)光第10頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月例如，對于藍光LED中采用的InGaN-GaN異質結，發(fā)光波長在460nm附近時，帶隙約為2.7eV，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)對這些光子是透明的。第11頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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個第12頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月Si(111)襯底上的InGaN/GaNMQW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,壘(GaN)層厚約為815nm第13頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月勢阱沿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，產生分立能級。電子在分立能級之間躍遷而輻射發(fā)光。第14頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月惠普公司采用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％。第15頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3改進內部結構，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%。第16頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月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。第17頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第18頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第19頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月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(1.6~3.3eV)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生的光吸收，在可見光的范圍不會發(fā)生，ITO對可見光透明第20頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第21頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月二、生長分布布喇格反射層（DBR）結構DBR（distributedbraggreflector）結構早在20世紀80年代R.D.Burnham等人提出，如圖1所示。第22頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月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。第23頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月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)奇異性。第24頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月這樣，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（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的對數(shù)（pair），對數(shù)越高，反射效果越好。第25頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月三、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，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月透明襯底可以在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AlGaAs），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，而且與高質量的有源層之間匹配不好。第27頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月另外一種技術就是bonding（粘合）技術。它是指將兩個不同性質的晶片結合到一起，并不改變原來晶體的性質。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。第28頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月允許光從六個面出射，因而提高了出射效率。根據1996年的報道，636nm的TS-LED外量子效率可以達到23.7%；607.4nm的TS-LED的發(fā)光效率達到50.1m/W。第29頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月四、倒金字塔形LED減小光在LED內部反射而造成的有源層及自由載流子對光的吸收。光在內部反射的次數(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。第30頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月LED的這種幾何外形可以使內部反射的光從側壁的內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內部傳播的路程。第31頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第32頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月五、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。第33頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月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第34頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第35頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第36頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月從圖中的數(shù)據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薄膜的表面粗化工藝使LED芯片的發(fā)光強度提高了70%。第37頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月六、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.第38頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)將外延片低溫鍵合到底板上;第40頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月(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產生熱分解,再通過加熱(40℃)使藍寶石脫離GaN.第41頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月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ThinGaNTO－PLED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50lm/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,產生43lm,發(fā)光效率約>40lm/W。第42頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月七、圖形化GaN和藍寶石襯底在2μm左右的GaN外延片上,采用光刻和等離子體增強化學氣相淀積(PECVD)技術,可以獲得以SiO2為掩膜的周期性結構圖形(如正六邊形或長方形),圖形尺度在300—350μm左右,間距在50μm左右.第43頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月然后在HVPE系統(tǒng)中選區(qū)生長,得到厚度約為50μm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)光時的光顯圖第44頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月化學氣相沉積(Chemicalvapordeposition，簡稱CVD)反應物質在氣態(tài)條件下發(fā)生化學反應，生成固態(tài)物質沉積在加熱的固態(tài)基體表面，進而制得固體材料的工藝技術。它本質上屬于原子范疇的氣態(tài)傳質過程。與之相對的是物理氣相沉積（PVD）。第45頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月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、氧化硅及參雜等第46頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月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).

第47頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月例子：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層，提高集成電路的可靠性。第48頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月HVPE系統(tǒng)(氫化物氣相外延)用途：在GaN/藍寶石/SiC外延生長GaN厚膜第49頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月外延是在特定條件下，使某物質的原子或分子有規(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。第50頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月GaN/GaAs等薄膜工藝MOCVD系統(tǒng)（金屬有機化學氣相沉積系統(tǒng)）第51頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月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的一種化學氣相淀積(CVD)工藝.第52頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月世界上最大的兩家MOCVD生產商為德國的AIXTRON和美國的VEECO。日系的MOCVD一般只在日本本土占有市場。第53頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)光功率增加的主要原