（凝聚态物理专业论文）全息方法实现高外量子效率光子晶体led.pdf

摘要 摘要 发光二极管( l e d ) 被称为2 1 世纪照明光源，其与传统光源相比具有节能，环保， 使用寿命长等优点，其主要应用领域包括：交通指示灯，户外全彩色显示器，l c d 背光 照明，和日常照明以及装饰照明等方面，是将来社会发展所需要的更高亮度、更低能耗 的照明器件。然而，目前l e d 要在照明领域上完全替代其他光源，还需要解决提高光效， 降低成本，降低芯片发热量，提高l e d 使用寿命等问题，而这些问题全部都受到l e d 外 量子效率很低的制约。l e d 的外量子效率低主要是由于其表面与空气界面的全反射条件 的限制，导致其光提取效率不高。目前国际上有许多提高l e d 光提取效率的方法，如表 面粗化，制作布拉格反射层，制作二维光子晶体等。在这些方法当中，利用二维光子晶 体提高l e d 的外量子效率具有工艺简单，光提取效率高等优点成为目前提高l e d # i - 量子效 率的研究热点之一。 目前国际上制作光子晶体l e d 的方法各自存在其优缺点，还没有一种方法能方便、 快捷、低成本的制作大面积小晶格常数的光子晶体图形。这使光子晶体l e d 还无法进行 产业化生产。利用激光全息技术在光刻胶上制作光子晶体具有成本低，制作周期短，可 方便制作大面积光子晶体等优点。而且使用全息光学元件( h o e ) 制作光子晶体的光路 系统具有工艺简单，制作系统稳定，容易调节等优点。因此本研究使用由三个两两夹角 为1 2 0 。的全息光栅组成的h o e 通过一次曝光制作二维六角光子晶体图形的光刻胶掩模 层( 在本文中称这种方法为h o e 光全息方法) ，并根据半导体的不同性质，使用湿法 刻蚀将图形转移到g a n 基l e d 的电流扩展层i t o 上，使用干法i c p 刻蚀技术将图形 转移到蓝宝石衬底上，来提高g a n 基l e d 的外量子效率。实验结果证明这种方法可以 方便、快捷、低成本的制作大面积光子晶体图形，能够满足产业化生产的要求，并能有 效的提高l e d 的外量子效率。本课题从理论到实验对制作二维光子晶体的方法和提高 l e d 外量子效率的效果进行了研究，本文的主要研究工作和结果包括以下几个方面： 1 从理论上分析了只要在干涉面上投影两两夹角为1 2 0 。的三束光相干涉就能形成 二维六角晶格结构，模拟分析了不同光强和偏振态对于干涉形成的晶格结构的影响，结 果表明只有三束光的光强和偏振态完全一致才能干涉形成结构完整的二维六角晶格结 构。在此基础上，模拟以正性光刻胶作为记录介质的显影过程。最后从理论上分析h o e 摘要 制作光路系统和使用h o e f 斋u 作光子晶体系统的参数选择。 2 分析了二维光子晶体提高g a n 基l e d 光提取效率的两种机理，并针对在i t o 表 面制作二维六角光子晶体作为表面光栅提高g a n 基l e d 光提取效率的机理进行理论分 析和计算，得出了能够衍射, h u , l e d 的入射光角度与光子晶体晶格常数之间的关系，从而 找出了最有利于提高g a n 基l e d 光提取效率的晶格常数的范围为2 5 0 n m - - 5 0 0 n m 。 3 使用h o e 光全息方法和湿法刻蚀技术相结合在g a n 基l e d 的i t o 电流扩展层上 制作二维六角光子晶体图形提高g a n 基l e d 的光提取效率。并对相同晶格常数( 1 , a m ) 不同表面形貌的结构进行比较，结果表明在晶格常数相同的情况下，结构完整，侧壁有 一定侧壁厚度( 2 0 0 n m ) ，刻蚀深度为7 0 n m 的图形有利于提高l e d 的光提取效率，提 高的幅度为2 5 。接着比较了表面形貌相同的晶格常数分别为1 2 , u r n 、1 5 p r o 、1 8 1 u r n 的 结构的提高效果，测试结果表明在表面形貌相同的情况下，小晶格常数( 1 2 a m ) 的结 构更有利于l e d 光提取效率的提高，提高的幅度为2 2 5 。 4 使用h o e 光全息方法和干法i c p 麴j 蚀技术相结合在蓝宝石衬底上制作晶格常数 为3 8 m ，刻蚀深度为8 0 0 n m 的二维六角光子晶体结构。并在制作好的蓝宝石图形衬底 上生长g a n 材料，制作成p s s l e d 器件。通过测试结果证明这是一种提高l e d 夕i - 量子 效率的有效途径：p s s l e d 相对于普通l e d 平均光强提高了接近1 0 0 ，最大光强提高 了3 0 。最后对p s s 大幅度提高g a n 基l e d 夕i - 量子效率的原因进行分析，认为在g a n 晶格质量没有提高的情况下提高外量子效率的主要原因是衬底图形对衬底与g a n 层之 间的波导光的散射。 关键词；发光二极管；全息术；全息光学元件；二维六角光子晶体；外量子效率：提取 效率：i t o ；图形蓝宝石衬底 a b s t r a c t a b s t r a c t l i g h t - e m i t t i n gd i o d e s ( l e d s ) a r er e g a r d e da st h el i g h ts o u r c e so ft h e2 1s tc e n t u r y c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ll i g h ts o u r c e s ，l e d sh a v et h ea d v a n t a g e so fp o w e rs a v i n g ， e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dl o n gs e r v i c el i f e t h em a i na p p l i c a t i o nf i e l d so fl e d sa r e t r a f f i cl i g h t s ，o u t d o o rf u l l - c o l o rd i s p l a y s ，l c db a c k l i g h t ，g e n e r a ll i g h t i n ga n dd e c o r a t i v e l i g h t i n g t h e ya r et h e1 1 i g hb r i g h t n e s sa n dl o wp o w e rc o n s u m i n gl i g h t i n gd e v i c e sw h i c h c a l l m e e tt h er e q u i r e m e n to ff u t u r es o c i a ld e v e l o p m e n t h o w e v e r , t h e r ea r es t i l ls e v e r a lp r o b l e m s p r e v e n tl e d sf r o mr e p l a c i n ga l lo t h e rl i g h ts o u r c e sc o m p l e t e l y , s u c ha sl o we f f i c i e n c y ，h i g h c o s t ，h i g hw o r k i n gt e m p e r a t u r e ，f a rs h o r t e rs e r v i c el i f et h a nt h e o r e t i c a lv a l u e ，e t c a l lt h e s e p r o b l e m sa r em a i n l yr e l a t e dt ot h ee x t r e m e l yl o we x t e r n a lq u a n t u me f f i c i e n c y ( e q e ) o fl e d s t h er e a s o no fl o we q ei st h a tl e d sl i g h te x t r a c t i o ne f f i c i e n c y ( l e e ) i sv e r yl o w , w h i c hi s m a i n l yc a u s e db yt h et o t a li n t e m a lr e f l e c t i o n ( t i r ) b e t w e e nt h es u r f a c eo ft h es e m i c o n d u c t o r m a t e r i a la n dt h es u r r o u n d i n gm e d i u m i nr e c e n ty e a r ss e v e r a lm e t h o d sh a v eb e e nt r i e dt o i m p r o v el e e ，s u c ha ss u r f a c er o u g h n e s s ，f a b r i c a t i o no fb r a g gr e f l e c t o r , u t i l i z a t i o no f t w o - d i m e n s i o n a l ( 2 d ) p h o t o n i cc r y s t a l s ( p c s ) ，e t c b e c a u s eo f i t ss i m p l ef a b r i c a t i o np r o c e s s a n dh i g he n h a n c e m e n ti ne q e ，2 dp cm e t h o di sc o n s i d e r e dt ob eo n eo ft h em o s te f f e c t i v e w a y s a tp r e s e n t ，t h el a c ko fac o n v e n i e n t ，f a s ta n dl o w - c o s tm e t h o dt of a b r i c a t el a r g ea r e a2 d p c sw i t hs m a l ll a t t i c ec o n s t a n t s ( l c ) s t o p sp c - l e df r o mi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n a s f a b r i c a t i n g2 d p cp a t t e r n so np h o t o r e s i s tv i ah o l o g r a p h i cl i t h o g r a p h yh a st h ea d v a n t a g e so f l o w - c o s t ，s h o r tf a b r i c a t i o np e r i o da n db e i n ga b l et op r o d u c el a r g ea r e ap c sw i t hs m a l ll c sa t at i m e ，t h ea p p r o a c hw a sa d o p t e di nt h i sr e s e a r c ht of a b r i c a t e2 d p cm a s k sf o rh i g he q e p c l e d s i nt h es t u d y , ah o l o g r a p h i co p t i c a le l e m e n t ( h o e ) c o n s i s t i n go ft h r e ei d e n t i c a l h o l o g r a p h i cg r a t i n g sw i t h12 0 0s e p a r a t i o nw a su s e dt og e n e r a t et h r e ei n t e r f e r e n c eb e a m s s o t h a t2 dh e x a g o n a lp cp h o t o r e s i s tm a s k sc o u l db ef a b r i c a t e dt h r o u g ho n e e x p o s u r e t h eu s e o fh o e st of a b r i c a t ep cm a s k sm a k e st h em a s kf a b r i c a t i o ns y s t e mv e r ys i m p l ea n ds t a b l e t h e nw e te t c h i n gt e c h n i q u ew a su s e dt ot r a n s f e rt h ep a t t e r n si n t oi t ol a y e r so fg a n - l e d s ， a n di c pd r ye t c h i n gt e c h n i q u ew a sa p p l i e dt ot r a n s f e rt h em a s ks t r u c t u r ei n t os a p p h i r e s u b s t r a t e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i sa p p r o a c hn o to n l yc a np r o d u c el a r g ea r e a 2 dp c sw i t hf a s tp r o c e s s i n ga n dl o w - c o s t ，b u ta l s oc a l li n c r e a s et h ee q eo fg a n l e d s e f f e c t i v e l y t h es t u d yi n c l u d e st h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so i l2 dh e x a g o n a lp c a b s t r a c ：t f a b r i c a t i o nt e c h n i q u ea n dt h ea n a l y s i so nt h em e c h a n i s mo fe q ee n h a n c e m e n t t h em a i n r e s e a r c hw o r ka n dr e s u l t sp r e s e n t e di nt h i st h e s i si n c l u d e ： 1 t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，f i n d i n go u tt h a tt h r e eb e a m sc a ni n t e r f e r et of o r ma2 d h e x a g o n a ll a t t i c es t r u c t u r e ，i nc o n d i t i o nt h a tt h ep r o j e c t i o na n g l e sb e t w e e ne v e r yt w ob e a m s o nt h ei n t e r f e r e n c ep l a n ei s12 0 。s i m u l a t i n ga n da n a l y z i n gt h ei m p a c to nt h ei n t e r f e r e n c e p a t t e r n sw i mv a r y i n gi n t e n s i t ya n dp o l a r i z a t i o no ft h et h r e eb e a m s t h er e s u l t ss h o wt h a to n l y w h e nt h et h r e eb e a m sh a v et h es a m ei n t e n s i t ya n dp o l a r i z a t i o n ，a2 dh e x a g o n a lp cp a t t e r n c a nb ef o r m e dw i t h o u td i s t o r t i o n b a s e do nt h i sa n a l y s i s ，p o s i t i v ep h o t o r e s i s tw a st a k e na st h e r e c o r d i n gm e d i u mt os i m u l a t et h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s t h e o r e t i c a la n a l y s i so nt h es e l e c t i o n o fo p t i m a lp a r a m e t e r si nh o ef a b r i c a t i o ns y s t e mi sp r e s e n t e d 2 a n a l y z i n gt h et w om e c h a n i s m so fe n h a n c i n gg a n - l e d s l e eb yf a b r i c a t i n g2 d p c s t r u c t u r e si nl e d s t h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no fl e ew i t h2 dh e x a g o n a lp c sf a b r i c a t e d o nt h es u r f a c e so fi t o l a y e r sa n du s e da st h ed i f f r a c t i o no b j e c t sw e r ec a r r i e do u tt oo b t a i nt h e c o n d i t i o nf o rt h el i g h tb e i n ga b l et od i f f r a c to u to fl e d s t h er e s u l ts h o w st h a tl a a i c e c o n s t a n t si nt h er a n g eo f2 5 0 n m - 5 0 0 n mi st h em o s tf a v o r a b l ec o n d i t i o nf o re n h a n c i n gl e e 3 h o eh o l o g r a p h i cm e t h o da n dw e te t c h i n gt e c h n i q u ew e r eu s e dt of a b r i c a t e2 d h e x a g o n a lp c so nt h es u r f a c e so fi t ol a y e r so fg a n - l e d st oi n c r e a s el e e t h ee q e e n h a n c e m e n tf o rt h ep a t t e r n sw i t ht h es a m el c ( 1 j m ) b u td i f f e r e n td e p t h sa n ds i d ew a l l t h i c k n e s sw e r ec o m p a r e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep a t t e r nw i l2 0 0 n mt 1 1 i c ks i d ew a l la n d 7 0 n me t c h i n gd e p t hi m p r o v e dt h el e dl e em o s ts i g n i f i c a n t l y , w i t h2 5 i n c r e a s eo ft h e o u t p u ti n t e n s i t y i nt h es a m ew a y , p a t t e r n sw i t ht h es a m ed e p t ha n ds i d ew a l lt h i c k n e s sb u t d i f f e r e n tl c s ( 1 。2 p r o ，1 5 t ma n d1 8 t m ) w e r ea l s oc o m p a r e d a sar e s u l t ，t h ep a t t e r nw i t h s m a l ll c ( 1 2 p r o ) a c h i e v e d2 2 5 i n c r e a s eo fo u t p u ti n t e n s i t y , i n d i c a t i n gt h a ts m a l ll ci s m o r es u i t a b l ef o ri n c r e a s i n gl e dl e e 4 h o eh o l o g r a p h i cm e t h o da n dd r yi c pe t c h i n gt e c h n i q u ew e r eu s e dt of a b r i c a t e p a t t e r n e ds a p p h i r es u b s t r a t e ( p s s ) t h ep a t t e r no n t h ep s si s2 dh e x a g o n a lp cs t r u c t u r ew i t h 3 8 p ml ca n d8 0 0 n r nd e p t h t h e ng a nm a t e r i a l sw e r eg r o w no nt h ep s su s i n gm o c v d ， f o l l o w e db yo t h e rl e dd e v i c ef a b r i c a t i o np r o c e s s t h er e s u l t so fl i g h ti n t e n s i t ym e a s u r e m e n t p r o v e dt h a t t h i si sa i le f f e c t i v ew a yt oe n h a n c eg a n - l e d s e q e c o m p a r e dw i t h c o n v e n t i o n a lg a n l e d s ，t h ea v e r a g el i g h ti n t e n s i t yo fp s s l e d si n c r e a s e db ya l m o s t10 0 p e r c e n t ，w h i l et h eh i g h e s tl i g h ti n t e n s i t yi n c r e a s e db y3 0p e r c e n t t h ea n a l y s i so nt h er e a s o n t h a tp s sc a ni n c r e a s ee q es i g n i f i c a n t l yw i t h o u ti m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fg a nm a t e r i a l i n d i c a t e st h a tt h ee n h a n c e m e n to fe q ei sm a i n l yd u et ot h es c a t t e ro ft h el i g h tw h e ns t r i k i n g o nt h ep cs t r u c t u r eo f p s s k e yw o r d s ：l i g h t - e m i t t i n gd i o d e ；h o l o g r a p h y ；h o l o g r a p h i co p t i c a le l e m e n t ，t w o d i m e n s i o n a l h e x a g o n a lp h o t o n i cc r y s t a l ；e x t e r n a lq u a n t u me f f i c i e n c y ；l i g h te x t r a c t i o ne f f i c i e n c y ；i t o ； p a t t e r n e ds a p p h i r es u b s t r a t e 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明 确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人( 签名) ：甜瑶嘉 刈8 年合月叩日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学 有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版， 有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆 被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，有权将学位 论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 1 本学位论文属于 ， 1 、保密筠，在笋年解密后适用本授权书。 ? 2 、不保密( ( 请在以上相应括号内打“ ) 作者签名：材滢氧 轹璐彬昀历 日期：训多年p 月坶日 日期：矽痧年办垆 全息术实现高外量子效率光子晶体l e d 第一章绪论 1 1l e d b 吐( 全反射临界角) 的情况下，光线也不会完全遵循全反射定律，角度分布的随机性使一部分光出射出来“4 ， 如图1 6 所示。 全息术实现高外量子效率光子晶体l e d 图1 6 平面对光的反射( a ) ，粗糙表面对光的散射作用( b ) 呲1 表面粗化的方法很多，加州大学的i s c h n i t z e r 和e y a b l o n o v i t c h 提出用自然光 刻法n 羽。就是先用旋转镀膜的方法将直径3 0 0r i l l 的聚苯乙烯球镀在l e d 的表面，这些 小球遮挡一部分表面，然后用等离子腐蚀的方法n 钔将未遮蔽的表面腐蚀到深度为1 7 0d _ m 左右，形成了粗糙的l e d 表面。另外，德国物理技术研究所的r w i n d i s c h 等人用4 3 0n i f i 的聚苯乙烯球进行了进一步的实验n 引，发现了比前人更好的结果，如表1 1 所示，表中 的数值代表l e d 的外量子效率。 ( a ) 未封装的l e d 光滑表面粗糙度为3 0 0 n t o粗糙度为4 3 0 n m 2 1 5 2 5 5 3 2 ( b ) 封装后的l e d 光滑表面粗糙度为3 0 0 h m 粗糙度为4 3 0 r i m 4 4 4 7 55 7 表中( a ) ，( b ) 分别代表未封装的和封装后的l e d 。可见表面粗糙技术确实能够提 高l e d 的外量子效率。但是作用并不是很明显。 1 4 5 光子晶体的方法 利用二维光子晶体提高l e d 的提取效率具有工艺简单，光提取效率高等优点而成为 目前提高l e d 外量子效率的研究热点之一。下面逐一介绍使用光子晶体提高l e d 外量子 效率的结构和制作方法。 第章绪论 15 光子晶体l e d 的种类及制作方法分析 光子晶体是一种介电常数呈周期性变化的半导体材料，其结构分为三种即一维、二 维、三维如图1 7 所示。 佩向 “) 一维( b ) 二堆 ( c ) 三维 图1 7 光子晶体空间结构示意图 其应用在l e d 上主要是有两种机制来提高l e d 的光提取率：( 1 ) 衍射机制，主要 用在晶格常数比较大的光子晶体结构；( 2 ) 禁带机制，是在晶格常数达到l e d 发射光 波长的禁带条件。下面逐一介绍光子晶体l e d 种类及制作方法。 1 5 1 光子晶体谐振腔l e d 光子晶体谐振腔l e d 在2 0 0 2 年由l l a x i m er a t t i e r o ”等人提出，其设计如圈l _ 8 所示， 作者在g a a s 基l e d 的村底和发光的有源区之间生长g a a s 和一n 组成的布拉格反射层，将 射向衬底的光反射向上表面，避免了g a a s 黑色衬底对光的吸收。另外，作者还使用电子 束曝光和干法i c p 刻蚀的技术，在有源区的两侧制作一维的光栅形状的光子晶体结构， 其中刻蚀一直从p 区刻到n 区。制作光子晶体的晶格常数为半波长。 琴 全息术实现高外量子敬睾光子晶体l e d 这种结构能有效限制横向的波导光传播。增加l e d 表面的提取教率。制作的结果如 图1 9 所示，图中白色箭头所指的就是光子晶体结构。 图19 谐振腔l 功的实物图“” 根据文中测试结果，这种结构将l e d 的外量子效率提高到2 8 。但是这种结构的缺 点是工艺复杂，成本高，不利于产业化生产而且由于一厶o | 的导熟性很差，多层布拉 格反射层结构不利于l e d 的散热。因此也不利于延长l e d 的使用寿命。 152 深刻蚀光子晶体l e o 结构 这个结构是2 0 0 7 年由l i a n n - b ec h a n g ”1 等人提出的，其设计图如图1 1 0 所示，作者 使用电子柬曝光和干法i c p 刻蚀技术在l e d 上刻蚀出深度为1 0 0 0 r 血的光子晶体结构，一直 从p 区刻过发光的有源区( 多层量子阱结构) ，刻蚀到n 区，来提高l e d 的光提取效率。 r i ， u i ：【， 广下石鬲1hl _ _ 叫h 产量凰亘目胃目号目r 习 l ：! 竺：些= j s a p p h i r e 图1 _ l o 深刻蚀光子晶体l 曲设计图”1 制作的实物图如图1 1 l 所示图中可以看到作者制作的是晶格常数为1 2 p r o 的二维 六角光子晶体结构，根据文中测试结果，该结构可以将l e d 的提取效率提高4 5 。但是这 第一章绪论 种结构由于刻蚀了发光的有源区，使其受到破坏，而且由于刻蚀有源区的面积大幅减小 降低t l e d 的内量子效率不利 ：l e d 总的外量子效率前提高。 图l1 1 深刻蚀光子晶体l e d 实物图“” 15 3 表面光予晶体l e d 结构 这种结构制作在l e d 的表面，主要分为两种，一种是制作在l e d 的p 区上的，另外一 种是制作在l e d 的电流扩展层i t 0 ( 胁d 2 ) 上的。 15 3 1 制作在p 区的光子晶体表面结构 比较有代表性的做在g “基l e d 的p 区的结构是由d o n g - h ok i m “等人在2 0 0 5 年在g 8 n 基l e d 上制作的结构。其结构示意图和制作的光子晶体结构的扫描式电子显微镜( s 脚) 图如图1 1 2 所示，作者先在p 型g a n 上制作光子晶体图形，然后再完成电流扩展层i t o 的 的生长和p 、n 电极的制作等后续工艺。作者使用两束光相干曝光二次的全息方法在光刻 胶上制作二维正变光子晶体图形，然后使用干法z c p 翔j 蚀技术将图形转移到p 型g a n 上。 测试结果外量子效率提高了2 倍。但是两柬光干涉需要多次曝光才能制作高对称性的光 子晶体结构，工艺比较复杂。 全息术实现高外量于教$ 光 晶体l e d 图l _ 1 2d o n g - h ok i 等人在p 型舶m 上制作的光子晶体的s 叫图( a ) 和l e d 结构侧视图( b ) 1 1532 在l t o 上制作光子晶体结构 i t o 是一种透明导电材料对可见光的透过率选到9 0 “”因此使用i t o 制作l e d 的电流 扩展层能有效的提高l e d 的光提取效率。由于i t o 的折射率为2 0 与空气还是存在全反射 损耗，因此在i t o 上制作光子晶体也能有效的提高l e d 的光提取率。2 0 0 7 年s jc h a n g 删 等人使用纳米压印技术在i t o 上制作光子晶体图形，其设计图如图1 1 3 所示，作者在i t o 上制作光于晶体结构，克服i t o 与空气界面的全反射条件，提高l e d 的外量子效率。 图1 1 3s jc h a o g 等人设计的i 毗子晶体l e d 示意图” 制作的实物的原子力显微镜( a f m ) 图如图1 1 4 所示，作者制作的是晶格常数为 1 7 5 , u r n ，小孔直径为0 8 5 , u r n 的二维六角光子晶体结构，根据测试结果外量子效率提高 第一章绪论 了1 2 。但是这种方法还是要使用激光全息的方法制作模压板。工序比激光全息方法多 了很多。而且纳米压印的仪器很昂贵( 至少1 0 0 万美元) 需要很高的投资。 圈1 1 4s jc h 衄g 等人制作的i t 0 光子晶体的a 硝图删 1 5 4 衬底光子晶体l e d 结构 这种方法主要是在蓝宝石衬底上制作光子晶体图形，也分为两种： ( 1 ) 将生长好的l e d 倒置，在蓝宝石的表面上制作光子晶体结构，提高l e d 的提取 效率； ( 2 ) 是在光滑的蓝宝石衬底上先制作光子晶体图形。再生长l e d 材料( p s s l e d ) 。 下面分两类进行说明： 15 41 蓝宝石村底表面光子晶体结构 2 0 0 5 年mk h i z a r 1 等人在倒置的g a n 基l e d 的蓝宝石衬底上制作光子晶体结构，如 图1 1 5 所示，作者使用普通光刻技术在光刻胶上制作二维正交的光之晶体结构。然后再 用i c p 蠢o 蚀将这种类似于微透镜的图形转移到蓝宝衬底上。测试结果是外量子效率提高 了5 5 。这种普通光刻工艺由于光的衍射极限不利于制作小晶格常数的图形。而且将l e d 倒置工艺复杂成本高。 全息术实现高外量子敢率光子6 镕l e d i- 。 ：瀚蜒 j g 口l 图11 5 蓝宝石衬底光子晶体的设计和结构图( a ) l e d 的结构示意图，( b ) 制作蓝宝石光子晶体 图形的a f 悃，( c ) 蓝宝石衬底光子晶体图形的光学显微镜图，( d l 蓝宝石村底光子晶体图形的 s e m “ 1 542 图形蓝宝石衬底( p s s ) l e o p s s l e d 的制作过程是现在蓝宝石村底上制作二维光子晶体图形，然后在衬底上生 长g a n 材料，并制作成l e d 器件。2 0 0 5 年w o e i k a iw a n g m l 等人使用普通光刻工艺和i c p 刻蚀技术在蓝宝石衬底上制作二维六角光子晶体结构，然后在衬底上制作g a n 基l e d 结 构。其设计图和图形蓝宝石衬底的扫描式电子显微镜( s e m ) 图如图l1 6 所示。 第一章绪论 图1 1 6 p s s u d 设计圈( a ) 和图形蓝宝石衬底s e m 圈( b ) 作者通过这种方法提高了生长在蓝宝石衬底_ 啪g a n 材料晶格质量，提高l e d 的内量 子效率，通过蓝宝石图形衬底的散射提高t l e d 的提取效率，提高了l 即使用寿命。但是 这种普通光刻的方法分辨率较低，不利于制作小晶格常数的图形。 15 5 全方位结构 全方位结构是2 0 0 1 由a l e x e ia e r c h a k 咧等人所制作的，其结构示意图如图1 1 7 所示，作者既在衬底和有源区之间制作布拉格反射层，又在p 型i n g s a s 层上制作t - - - - 维 六角光子晶体晶体结构，根据文章测试在光激发情况下l e d 的提取效率提高了6 倍。 霉1 1 7 全方位光子晶体l 即结构示意图咖 现在布拉格反射层结构主要用于g a s 基的血，因为g a s 是黑色的对射向村底的光 吸收的很厉害，而由于g a n 基l e d 生长在蓝宝石材底上，蓝宝石村底是透明的，因此不需 要制作村底布拉格反射层，只要直接接收由衬底发射的光就可以了。作者使用电子束曝 光和r i e 干法刻蚀技术制作表面的光子晶体图形，这种方法成本高，不利于大批量生产。 全息术实现高外量子效率光子晶体l e d 以上分析了光子晶体种类及制作技术，制作的过程都分为两步，1 ) 在光刻胶上制 作光子晶体图形作为掩模层，2 ) 通过干法刻蚀工艺将图形转移到半导体材料上。由于 干法刻蚀工艺基本相近，因此主要的区别是光刻胶上的光子晶体的制作工艺。在光刻胶 上制作光子晶体图形的方法主要分为4 种： 1 ) 电子束曝光技术： 优点：可以制作小晶格常数图形 缺点：制作周期长，成本高，不满足产业化生产的要求 2 ) 二次曝光的光全息技术 优点：可以低成本制作大面积光子晶体图形 缺点：比较难以制作高对称性的图形，多次曝光图形对比度差 3 ) 纳米模压技术 优点：可以制作大面积的光子晶体图形 缺点：工艺复杂，设备昂贵，目前的一台设备至少需要1 0 0 万美元 4 ) 普通光刻技术 优点：可以大面积生产 缺点：曝光精度较差，难以制作小晶格常数的结构，通常的分辨率大于2 m 。 可见目前国际上制作光子晶体l e o 的方法各自存在其优缺点，还没有一种方法能方 便、快捷、低成本的制作大面积小晶格常数的光子晶体图形。 1 6 本研究的特点 目前，如何能够方便、快捷、低成本的制作大面积高分辨率的光子晶体图形成为光 子晶体l e o 能否产业化生产的关键问题。由于激光全息技术在光刻胶表面制作光子晶体 具有制作便捷，成本低，制作周期短，能够制作小晶格常数的光子晶体图形等优点。而 且使用全息光学元件( h o e ) 制作光子晶体的光路具有光学元件少，光路简单，抗干扰 能力强的优势。另外，由于二维六角光子晶体图形相对于二维正交光子晶体图形有更高 的旋转对称性，更有利于各个方向的光的衍射提取，而且二维六角光子晶体能方便的使 用由三个两两夹角为1 2 0 的光栅组成的h o e 通过一次曝光制作，因此本研究只集中于在 半导体材料上制作二维六角光子晶体。 第一章绪论 本研究使用h o e 全息方法与刻蚀工艺相结合在半导体材料上制作二维六角全息光 子晶体图形。实验结果证明，这种方法能够方便快捷低成本的制作大面积均匀的二维六 角光子晶体结构，并通过对制作了二维六角光子晶体图形的l e d 进行测试，结果证明这 种方法能有效提高g a n 基l e d 的外量子效率。 1 7 本文的主要内容 第一章，讨论了l e d 的特性及主要应用，分析l e d 提取效率不高的主要原因，回 顾了国际上提高l e d 外量子效率的方法，以及光子晶体l e d 的种类及制作方法。指出使 用h o e 全息方法和刻蚀工艺相结合在半导体材料上制作二维六角光子晶体结构是本学 位论文的主要研究内容。 第二章，介绍全息术实现二维六角晶格结构的理论基础，并用该方法以光刻胶为 记录介质形成的二维六角光子晶体的结构及其显影过程进行了模拟分析，为在光刻胶上 制作二维六角光子晶体图形提供理论指导。最后对h o e 制作系统和h o e 全息方法制作二 维六角光子晶体的光路系统的各个参数进行了理论分析。 第三章， 分析限制l e d 外量子效率的原因，以及在g a n 基l e d 表面制作二维六角 光子晶体提高l e d 外量子效率的机理，并根据光子晶体作为表面光栅的机理，分析计算 了光子晶体晶格常数与能够提取的入射光角度之间的关系。然后详细介绍在i t o 层表面 制作二维六角光子晶体的具体实验过程和测试结果。最后对测试结果进行分析。 第四章，首先通过引用文献简要介绍p s s - l e d 的分类和制作过程，以及测试结 果。然后介绍蓝宝石图形衬底的设计，并直接从实验出发介绍使用h o e 光全息方法与干 法i c p 刻蚀技术相结合制作图形蓝宝石衬底的实验过程，以及在图形蓝宝石衬底( p s s ) 上生长g a n 基l e d 结构，最终制作成l e d 器件的实验过程和p s s l e d 的光学和电学特性 的测试结果。最后对结果进行分析。 最后一章对硕士阶段的研究工作进行总结，分析了成果和不足之处，并在已取得的 成果的基础上对未来研究工作进行了展望，说明今后进一步研究的方向。 全息术实现高外量子效率光子晶体l e d 参考文献 【1 h t t p ：w w w j d w l l 4 c o m r e l i s t m a r k e t a s p ? m y i d = 3 3 9 9 【2 h t t p ：w w w e n t e e t c h i n a c o m a r t8 8 0 0 4 5 9 9 3 2 2 7 0 0 0 0 1 一n t 一8 b 5 9 3 b 0 5 h t m 3 n n a k a d a ，m n a k a j i ，h i s h i k a w a ，e ta