（材料物理与化学专业论文）表面粗化提高gan基led光提取效率.pdf

摘要 捅要 本文以提高g a n 基l e d 的光提取率为切入点，介绍了表面粗化的方法。理论 上主要针对剖面是三角坑的尺寸进行了比较和优化，得出了腐蚀坑为三角坑的最 优尺寸。通过理论的分析和画具体的尺寸模型图的方法分析各个特殊点的出光情 况，运用两轮循环优化取值法计算整个芯片的出光评价因子，最终运用m a t l a b 软 件对芯片的出光评价因子拟合，得到了一个比较优化的尺寸，并有适当的图形变 化，以期更为优化的图形和数据。研究结果进一步证明：由于全反射的存在，使 得材料表面的各个点的出光角度有一定的限制，因此芯片表面的形状会对整个器 件的出光效率有很大影响。 实验上使用熔融k o h 腐蚀绿光l e d 外延片获得预计的粗糙形貌。在实验分 析过程中，分别利用扫描电子显微镜( s e m ) 和原子力显微镜( a f m ) 观察了腐蚀后的 样品的表面形貌，观测了腐蚀坑的三维形状。再通过常规工艺做成器件，结果给 出不同表面做成器件的光强。实验得出经过表面粗化处理的器件，外量子效率提 高了约2 5 7 。 关键词：三角坑l e d 外延片表面粗化外量子效率 a b s t r a c t 3 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , w ep u te n h a n c i n gl i g h t - - e m i t t i n ge f f i c i e n c yo fg a n b a s e dl e da sa i n c i s i v ep o i n ta n dm a i n l yi n t r o d u c e st h ew a yo fr o u g h e n i n gu p p e rs u r f a c eo fl e d t h e o r e t i c a l l yc a l c u l a t e st h eo p t i m a ls i z eo ft h et r i a n g u l a re t c h i n gp i t f i r s t l yw ea n a l y z e t h es p e c i a l i z e dl i g h r i n g - e m i t t i n gp o i n ti nap e r i o dt h r o u g ht h et h e o r e t i ca n a l y s e sa sw e l l a sd r a w i n gt h es t r u c t u r ep i c t u r e s a n dt h e nw eu s et w i c ec y c l eo p t i m i z i n gm e a n s a t l a s tb yt h em a t l a bw ed r a wt h ef i t t i n gb l i v ea n di nt h i sw a yt h ef i n a lo p t i m i z i n gs i z e so f t h et r i a n g u l a re t c h i n gp i t f u r t h e r m o r e ，ab e t t e rs h a p ea n ds i z e si sa n t i c i p a t e dt h r o u g h p r o p e r 。s h a p ec h a n g i n g t h er e s e a r c hr e s u l tp o i n t so u to w i n gt ot h e t o t a li n t e r n a l r e f l e c t i o nt h ea n g l eo fd i f f e r e n tp o i n to nt h ec h i pa r ec o n f i n e ds ot h a tt h es i z e sa n dt h e s t r u c t u r e so ft h es u r f a c eo fc h i ph a v eas i g n i f i c a n ta f f e c to nt h el i g h t - e m i t t i n ge f f i c i e n c y t h ee x p e c t e ds u r f a c em o r p h o l o g yi sa c h i e v e db yu s i n gm o l t e nk o ht oe t c hg r e e n l e de p i t a x i a lw a f e r t h e nt h el e de p i t a x i a lw a f e ri sm a d ei n t od e v i c e sb y c o n v e n t i o n a lp r o c e s s i nt h ep r o c e s so fa n a l y s i s ，s e ma n da f mi su s e dt oo b s e r v e e x t e r n a ls u r f a c e ，a tl a s t ，t h r e e - d i m e n s i o n a ls h a p eo fe t c hp i t sw e r ee v a l u a t e da n d o b s e r v e dr e s p e c t i v e l y t h e nt h el e de p i t a x i a lw a f e ri sm a d ei n t od e v i c e sb y c o n v e n t i o n n a lp r o c e s s t h el i g h tp o w e ri sm e a s u r e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w st h a t t h ee x t e r n a lq u a n t u me f f i c i e n c yo ft h ed e v i c ew h i c hi st r e a t e db ys u r f a c e - r o u g h e n i n gi s e n h a n c e db y2 5 7 k e yw o r d s ：t r i a n g u l a re t c h i n gp i t l e de p i t a x i a lw a f e rs u r f a c e - r o u g h e n i n g e x t e r n a lq u a n t u me f f i c i e n c y 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：7 辱乌釜一 日期彳d 红卫吐 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文 本人签名： 年解密后适用本授权书。 日期趁应：! 墨：! 星 e t 期丝：竺墨：! 圣 第一章绪论7 第一章绪论 1 1 本文的研究背景 目前，高亮度l e d 只有4 用作白光l e d ，其他用途包括交通信号约4 、汽 车约2 6 、背景光约3 6 、电子装配约1 0 等，自1 9 9 7 年高亮度l e d 由2 亿美 元的市场份额增加至2 0 0 3 年的2 0 亿美元。白光l e d 的用途除了照明外，还可以 作为背景光、闪光灯、交通信号、汽车、显示器、医药、光学测量及光学合成等 用途。目前白光l e d 的照明市场份额尚小，因为白光l e d 价格昂贵，且性能尚未 达到一般照明的要求。一旦白光l e d 的照明技术变得成熟，则可以取代白炽灯以 及日光灯等，其未来市场前景将极为广阔。 对比通用照明市场，功率自光l e d 面临着诸如发光效率低、散热不好、成本 过高等问题，另外还面临到光学、机构与电控等的整合以及l e d 照明产品通用标 准的制订。解决上述问题需要很长的一段时间。 发光效率是l e d 最关键的指标之一，制约发光效率提高的主要因素为器件的 外量子效率( 出射光子总数与注入器件的电子一空穴对数目的比值) 。外量子效 率为注入效率( p n 结载流子与总电流的比值) 、内量子效率( 产生光子总数与注 入电子一空穴对数的比值) 、以及光提取效率三者的乘积。经多年的研究和开发， l e d 的发光效率已达到2 4 9 1 m w ，同等亮度下能耗不到白炽灯的十六分之一。目 前l e d 制造技术已十分成熟，注入效率和内量子效率都能够达到较高的水平，提 升的空间相对较小【l 】。但受制于芯片与封装介质全反射临界角，芯片材料的吸收， 电极阻挡等因素，l e d 的光提取效率仍有较大的提升空间，成为人们研究的一个 热点【l 卅。 1 2 照明技术的变迁 人类在大约5 0 万年前就以燃烧树木产生的火焰及光作为光源使用，这就是最 早的光源。随着人类文明的进步，之后烧植物油及矿物油来产生光。1 9 7 6 年爱迪 生发明了白炽灯( i n c a n d e s c e n tl a m p ) ，它以碳棒为灯丝，是照明技术的巨大改进， 1 9 3 8 年发明的日光灯或称为荧光灯( f l u o r e s c e n tl a m p ) ，可以减少热的损失，节约 能源的消耗，这又是一大进步。后来紧凑型如光灯( c o m p a c ef l o u r e s c e n tl a m p ) 的 开发使其应用更为普遍，同时高压气体放电( h i d ：h i g hi n t e n s i t yd i s c h a r g e ) 灯如水 银灯( m e r c u r yl a m p ) ，金属卤素灯( m e t a lh a l i d el a m p ) 及钠灯( s o d i u ml a m p ) 等的 发明可在室外实现照明，约有2 1 的电源用于照明。如果能在固体照明领域节省 表面粗化提高g a n 基l e d 光提取效率 一半的能源，则会对人类的节约能源作出巨大的贡献。 用半导体材料制作白光l e d 被称为固体照明( s o l i ds t a t el i g h t i n g ) 。1 9 6 5 年 世界第一只商用g a a s pl e d 问世，发光效率为o 1l m w 。1 9 6 8 年利用半导体掺杂 工艺，提升g a a s pl e d 的发光效率至1l m w ，并且能够发出红光、橙光和黄光。 1 9 7 1 年，第一支绿光l e d 问世，其发光效率亦达到1l m w 。到了8 0 年代，g a a s p 和a i g a a s 半导体红光l e d 的光效达到了1 0l m w 。随着半导体技术的不断发展， 具有p 型和n 型电阻率低、晶体质量优良、直接跃迁、发光复合几率大、效率高 等优点的四元a l l n g a p 半导体逐渐占据了主流。9 0 年代，光效可达1 0 0l m w ，实 现了超高亮度实用化【5 1 。但直到数年前，用a 1 g a l n n 材料成功研制蓝光l e d ，这 才使白光l e d 的梦终成现实。 1 3l e d 的工作原理、优点和应用 1 3 1l e d 的工作原理 目前使用的大部分灯具是白炽钨丝灯或者采取气体放电，而半导体发光二极 管( l e d ) 的发光原理则于大部分灯迥然不同。发光二极管自发性( s p o n t a n e o u s ) 的发 光是由于电子与空穴的复合而产生的。 发光效率与材料是否为直接带隙( d i r e c tb a n d g a p ) 有关，图1 1 ( a ) 是直接带隙材 料。这些材料的导带最低点与价带的最高点在同一k 空间。所以电子与空穴可以 有效地再复合( r e c o m b i n a t i o n ) 而发光。而图1 1 ( b ) 的材料均属于间接带隙( i n d i r e c t b a n d g a p ) ，其带隙及导带最低点与价带最高点不在同一k 空间，以致电子与空穴 复合时除了发光外，还需要产生声子( p h o n o n ) 的配合，所以发光效率低 7 1 。目前发 光二极管用的都是直接带隙的材料。 ( a ) 直接带嘞间接带 ： 图1 1 导体的直接带隙和间接带隙 第一章绪论9 在直接带隙材料中，电子与空穴复合时，其发光跃迁( r a d i a t i v et r a n s i t i o n ) 有多 种可能性【刀，如图1 2 所示。图1 2 ( a ) 是带间复合，图1 2 ( b ) 是自由激子( e x c i t o n ) 相 互抵消，图1 2 ( c ) 是在能带时能波动区域低势能区局部束缚激子的再复合【5 1 。 导带= 价带= i ( a ) 带间复合( b ) 自由激子相互抵 e v f c ) 在能带势能波动区，局部束缚激子的 图1 2 半导体i 占i 有发光变迁过程 上述的复合是本身内部而产生的，但是加上将杂质掺入半导体，则会在带隙 中产生施主及受主的能级，因此有可能产生不同的复合发光如图1 3 所示。 ， e t - _、- ( a ) 受主与 导带复合 ( b ) 施主与 价复合 e e ( c ) 施主与 受主复合 e d e v o ( d ) 激子的再 复合 图1 3 因杂质而产生的发光再复合过程 当电子与空穴复合而产生光时，这些光被称为自发辐射，其光的方向是多方 l o 表面粗化提高g a n 基l e d 光提取效率 向的。自发辐射有辐射复合和非辐射复合。发光二极管发光靠的是注入载流子的 自发辐射。激发态下，l e d 有源区中的自发发射速率与电子浓度和空穴浓度乘积成 正比 副。但是，如果发出的光是激发辐射的，其方向应一致，则此种元件被称为半 导体激光二极管( l d ) 。 图1 4 所示为发光二极管p n 结的能带结构，p 型半导体是掺杂了受主杂质， 而n 型则是掺杂了施主杂质，将两种材料放在一起就得到了p n 结。n 型半导体中 产生电子，p 型半导体中产生空穴，在其中产生耗尽层。当正向偏压加在p n 结时， 多余的载流子会经过耗尽层而渗透至对方。图1 4 所示的p n 结能带，其中，图1 4 ( a ) 表示平衡态，图1 4 ( b ) 表示正向偏压时，图1 4 ( c ) 表示在注入高密度电流时的电子 与空穴复合产生光的情况，至于不发光的复合，则有通过禁带中央深能级的复合 以及在晶体中产生的热能损失。当电子与空穴复合时候产生不同波长的光，而波 长入与能量e 间的关系是口 ： h c1 2 4 0 ，、 式( 1 - 1 ) 拈i 2 t 【翮jee 、 其中，h 是普朗克常数；c 是光速。 所有的发光元件都需要具有高的内部量子效率，即产生的光子与进入p n 结内 的载流子之比，同时也要有高的外部量子效率，即产生的发光光子数目与越过p n 结的载流子数目之比，外部量子效率比内部量子效率低，原因之一是有些光在材 料表面辐射之前被吸收，而且光到达表面是只有低于临界角的光才能辐射。 e c p e ( a ) 平衡状态 ( b ) 在施加正向偏压时 e f e c e v e f c e c e v 第一章绪论 ( c ) 在注入高密度电流时 e f c e c e v 图1 4p i l 结能带 要得到高的内部量子效率，一部分与结构有关，简单的p n 结用同质结构不易 得到高效率，因为p n 结材料同折射率之差低，光的阈值也低，其结果如图1 5 ( a ) 所示。用图1 5 ( b ) 所示的双异质结构可以提高效率。在双异质结构中，p n 结材料与 中间活性层( a c t i v er e g i o n ) 的材料不同，带隙较高，可以得到较高的折射率之差， 所辐射光不但强且半高度较窄，如图1 5 ( b ) 所示，所以此结构已完全取代同质结构。 折 射 率 光 ( a ) n 质p n 结 折 射 率 光 ( b ) 异质p i l 结 图1 5p n 结特性比较 ( 上图是能带图，中间图是折射率分布图，下图是光局限不同所产生的光谱) m m 2 纷 1 2 表面粗化提高g a n 基l e d 光提取效率 图1 6 量子阱能带图 目前，l e d 的活性层也采用了半导体激光器所用的量子阱结构，图1 6 所示 是量子阱能带图。 当活性层的厚度减小到与德布罗意( d eb r o g l i e ) 波长相近时，量子力学现象出 现，这些薄的活性层就是量子阱，量子阱的数目可以使一个到数十个，量子阱的 带隙是不连续的，也是分离的。用量子阱可以得到小的临界电流，同时量子阱的 材料可以改变晶格不匹配以产生压缩性或者伸张性应变，这些应变可以改变波长 并减少临界电流。 用a 1 g a a s 及a 1 g a l n p 均可以得到红光，用a i g a l n n 可以得到蓝光、绿光及 紫外线，一般都用m o c v d ( m e t a l o r g a n i e c h e m i c a l v a p o rd e p o s i t i o n ) 法或 o m v e p ( o r g a n i em e t a lv a p o rp h a s ee p i t a x i a l ) 法生长a i g a l n p 及a 1 g a l n n 材料，用 不同量子阱材料得到不同颜色的l e d 。例如用a 1 g a a s 得到6 4 9 n m 红光，用a i g a l n p 得到5 9 4 n m 的琥珀光，用a i g a l n n 得到5 1 7 n m 的绿光及4 6 5 n m 与4 2 7 n m 的蓝光 等。 1 3 2l e d 的优点 l e d 的工作原理决定了其优点，主要包括： 1 ) 高效节能，耗电量小。 由l e d 得发光原理：电子与空穴辐射发光。目前内量子效率已经达到了9 0 以上，理论上l e d 发光效率大于2 0 0l m w ，预测到2 0 1 5 年。白光l e d 的光效将 达到1 5 0l m w 到2 0 0l m w 。随着技术不断发展，l e d 发光效率还将进一步提高。 2 ) 光衰小、寿命长。 由于l e d 的发光机理是电子与空穴辐射发光。它克服灯丝发光易烧、热沉积、 光衰减等缺点。普通白炽灯寿命约为1 0 0 0 h ，荧光灯寿命约1 0 0 0 0 h ，但是l e d 光 衰减到初始值的5 0 时，寿命可以高达1 0 万小时【3 】。 第一章绪论1 3 3 ) 体积小 l e d 芯片是3 - - 5 m m 的正方形，高度小于l m m 。 4 ) 耐振动 封装后的l e d 外壳用环氧树脂封装，耐冲击、耐震动、耐水淋、耐潮湿、耐 暴晒、耐灰尘、坚固耐用、不易破碎耐酸、耐碱、耐腐蚀，可用于恶劣环境。 5 ) 色纯度高，色域广 l e d 的色纯度很高，有很强的色彩表现力，广泛应用于户外大型全彩显示屏。 6 ) 响应速度快 l e d 灯的响应时间为纳秒级，由此可见l e d 的响应时间比白炽灯、荧光灯提 高了5 - 6 个数量级。利用这个优点将l e d 用作汽车煞车灯，从而可以提高行车安 全。 7 ) 环保，实现绿色照明 无汞无铅，废弃物可回收，热辐射很小，可安全触摸。 8 ) 使用安全 发光二极管的正向工作电压低，为1 5 v 到3 v ；工作电流小，为5 到1 5 0 m a ， 因此工作安全性好。 9 ) 可以用程序控制。 l e d 响应时间极短( 纳秒级) 【9 】，所以可以很容易地受微机、v c d 、d v d 等驱 动程序控制。 1 3 3l e d 的应用 作为革命性的新一代光源，l e d 在诸多领域有着广泛的应用。 1 ) 普通照明 l e d 实现了绿色照明，再加之在能量利用效率上的巨大优势，成为替代传统 灯具的最佳候选。 2 ) 景观照明 l e d 芯片尺寸很小，并且可以做成薄型灯具，给设计带来许多方便。加之能 耗低、寿命长、颜色丰富、易于实现动态数码控制，使得l e d 在景观照明中获得 越来越多的青睐。 3 ) 背光源 背光源可分为手持设备背光源和显示器背光源。 4 ) 车用照明 中国汽车销量每年都以三四成的速度增长，车用l e d 照明市场将成为未来3 5 年内l e d 照明市场的一个主要成长动力【l o 】。 i 1 4 表面粗化提高g a n 基l e d 光提取效率 5 ) 户外显示屏 l e d 采用低电压运行，安全可靠，在使用寿命和维护成本方面，相对于霓虹 灯等其它光源来说具有无可比拟的优势。在北京奥运会开幕式上，鸟巢体育馆内 一共铺设了约2 万平方米l e d 屏幕，中国风的卷轴l e d 显示屏、奥运五环、水立 方极具创意的外墙更是展示出l e d 的独特魅力，给全世界留下了深刻的印象。 6 ) 交通信号灯 l e d 交通信号灯较白炽灯而言具有整灯的功率低、响应速度快、亮度高、可 靠性好、维护成本低、寿命长的优点。 1 4 本文的主要内容 目前，国产芯片的亮度、发光效率、抗静电能力、抗漏电能力以及品质控制 水平与国际先进水平仍有差距。为在激烈的国际竞争中占据一席之地，必须加大 研发力度，从技术上寻求突破。作为l e d 性能指标中最重要的发光效率，引起了 我们极大的关注。 本论文主要讨论如何提高l e d 光提取效率。第一章主要介绍本论文的研究背 景、照明技术的变迁、l e d 的工作原理、优点和应用；第二章主要介绍提高l e d 光提取效率的方法；第三章介绍了干法刻蚀g a n 和湿法腐蚀g a n 的方法；第四章 首先针对经过湿法腐蚀处理的g a n 基l e d 外延片表面所形成的尖底坑，建立简单 的物理和数学模型，再运用m a t l a b 和手绘图的方法分析这种模型的外延片有效出 光角度，然后根据初步分析的结果，提取影响出光性能的关键结构和光学参数， 对不同参数对出光性能的影响进行系统行分析和对照比较，最终给出一定的优化 结果。第五章利用熔融k o h 可将g a 面极性的g a n 在其位错表面露头处被选择性 腐蚀这一晶体自身的特点，得到了表面粗化的外延片。然后按常规工艺( 匀胶、 光刻、刻蚀、i t o 蒸发、金属蒸发) 做成器件。最后做输出光强分析。通过对比分 析得出表面粗化处理的器件的外量子效率比未处理的器件提高了约2 5 7 。 第二章增加l e d 光提取效率的方法1 5 第二章增加l e d 光提取效率的方法 2 1 影响l e d 性能提高的因素 l e d 发光由以下三个过程组成：过剩载流子的产生；过剩载流子的辐射复合； 辐射光从晶体中的逃逸。l e d 的注入效率是指在一定注入条件下，单位时间内注 入到发光区中产生复合的载流子数与注入载流子总数之比。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。在理想情况下，l e d 中每注入一个电子一空穴对便会发出一个光子，但由于 存在电子内部损耗，注入的电子和空穴并不能全部转化为光子，而产生的光子也 不能全部从l e d 中射出，这就带来了量子效率问题。 注入电子和空穴在有源区中产生光子的效率称为内量子效率( i n t e r n a lq u a n t u m e f f i c i e n c y ) ，通常定义为从l e d 有源层辐射复合产生的光子数n t 与注入到发光 区中产生复合的电子一空穴对数目g 的比值。 ”等= 旋 ：( 1 + 王) 一1式( 2 1 ) l n r 式中，一c ，、t 埘各为过剩载流子辐射与非辐射复合寿命。复合率正比于1 t ， 可见只有一r ， 一rm 才能获得有效的光子发射。逃逸出的光子数n t 与有源区中产 生的光子n t 之比为光提取效率( l i g h te x t r a c t i o ne f f i e i e n e y ，l e e ) 一 r z e e = 寸 式( 2 - 2 ) v r 外量子效率定义为射向自由空间的光子数与注入载流子总数的比值，即注入 效率、内量子效率和光提取效率的乘积： r = t = 7 7 ，。刁i n t r t e e 式( 2 - 3 ) 通常人们所说的功率效率( p o w e re f f i e i e n e y ) 定义为： 刁p o w e r = 嘉= 净 郁- 4 ) 刁2 万2 尹 瓦瞄 由此可见要提高l e d 的功率效率，也就是要提高r i 。x t ，即要提高r l j 、r li n t 和 nl e e 。而r l j 与r li m 在目前的技术条件下都已经能够达到较高的水平，其潜在可提 高幅度不大。受制于g a n 材料的高折射率导致的高界面反射率，r ll e e 一直是阻碍 外量子效率提高的最重要因素1 6 。因此，提高l e d 工作性能的关键就是提高r ll e e 。 1 6 表面粗化提高g a n 基l e d 光提取效率 2 2l e d 出光效率存在的困难 基于l e d 的优点：高效节能，耗电量小；光衰小、寿命长；体积小；耐振动； 色纯度高，色域广；响应速度快：环保，实现绿色照明；使用安全；可以用程序 控制等。l e d 产业得到了国家的大力扶持。然而所有半导体l e d 都面i f 6 i 着同一个 困难：如何提高l e d 的出光效率。这个困难是因为在半导体内部与外部很大的折 射率差而引起的出射效率非常的低。下面利用简单的推导来说明这个问题。 位于全反射角以内的出射光锥的立体角【l l 】为： 唼帕 - q = 2 万f s i n o d o = 2 1 r ( 1 - - c o s ) = 号 式( 2 - 5 ) ： 刀 空间内总的立体角是4 丌，假定有源区发出的光在空间中的分布是均匀的，则 其出射功率为： 1 r 耐2 寿 式( 2 - 6 ) 代入i n g a a i p 材料，n 大约为3 5 ，r le x t 2 ；i n g a n 材料，n 大约为2 6 ，相 应的出射效率r l 瓿t 4 ；第二代半导体材料g a a s ( 可以做红光l e d ) ，n 大约为3 6 ， r l 嘲2 ；第三代半导体材料g a n ( g a n 材料通过掺杂h l 组分的不同可以改变禁 带宽度，从而改变发射波长获得蓝光、绿光、紫外l e d ，r g b 三色光可以合成白 光l e d ) ，n 大约为2 5 ，1 1 a , t 4 【】。 可以看出，不管对于第几代半导体材料都面对着光提取效率较低的问题。即 便在内量子效率很高的情况下，由于光在半导体材料与空气的界面发生全反射， 有源区发出来的光大部分出射不出来。 2 3 提高l e d 出光效率的方法 从上一节的分析可以知道，如果从g a n 到蓝宝石出射的光线没有经过任何处 理，则出射的光线是非常的少。这对于想利用g a n 基发光二极管来实现白光照明 是个非常不幸的事实。这就要求我们想方设法使有源区发射出来的光发射到空气 中来，可见由于外量子效率极为低下，严重阻碍了半导体l e d 的发展，这样我们 就面临着这样一个严峻的挑战：如何让有源区发出的光辐射到空气中来，从而达 到提高l e d 的出光效率的目的。在这一节主要介绍提高外量子效率的方法。 1 ) 激光剥离技术衬底( l a s e rl i f i o f 0 这种方法的理论依据是根据光的自发吸收理论。又被称为透明衬底 l e d ( t r a n s p a r e n c el i g h t i n ge m i t t i n gd i o d e s 简称t s l e d ) 法。利用该法实现g a n 外 延层和蓝宝石衬底的分离。g a n 的分解反应过程如下所示【1 2 】【1 3 】： 第一章增加l e d 光提取效率的方法 7 g a n 吐= 竺竺竺坐! j g a + 二n ，下式( 2 7 ) 2 这项技术首先由美国惠普公司在a l g a l n p ，g a a s l e dt 实现。目前g a n 基l e d 一般是异质外延在与之晶系结构相似的蓝宝石村底上。蓝宅石作为g a n 外延层的 衬底存在的不足，从而出现了上下电极实现的困难，也导致g a n 基l e d 的制作t 岂复杂，寿命短、输出功率低【i ”。针对这个问题，1 9 9 6 年首次提出采用脉冲激光 将g a n 外延层与蓝宝石村底剥离，然后再用h v p e 生长技术制成g a n 村底，用以 实现同质外延。这样就能够从根本上解决蓝宝石衬底对g a n 基l e d 带来的不利影 响，并且高效、低损伤l 】“。 2 ) 表面粗化技术( s u r f a c e t e x t u r e dl e d ) 人们在表面粗糙上作了很多工作，1 9 9 3 年加州大学的1 s c h n i t z e 和 e y a b l o n o v i t c h 提出和使用了自然光刻法，对g a a s 基l e d 芯片表面进行粗化”q ， 表面微小的粗化导致更多的光予进入逃逸圆锥，增强了出光。hwh u a n g 等人使用 k r f 准分子激光器，对i n g a n g a nl e d 的p 型层表面进行粗化处理i ”l ，使表面均 方根粗糙度从27 n m 增加到1 32 r a n 。在2 0 m a 电流强度下，l e d 的亮度提高了2 5 。 由于p 型层很薄，湿法粗化难以控制，千法粗化容易破坏其电学性能，所以 粗化p 型层不是最佳选择。sm p a n 等人使用干法刻蚀对l n g a n - g a b l e d 中的透 明导电薄膜( i n d i u mt i n o x i d e s ) 进行了粗化处理”其粗化尺寸为3u 1 1 1 3 i l m ， 其光功率比未作租化处理的l e d 提高了约1 6 。 3 ) 分布布喇格反射层( d e f l e c t e d b r a g g r e f l e c t o r d b r ) 结构”1 2 0 】 2 0 世纪8 0 年代ob m n b a m 等人提出d b r ( d i s t r i b u t e db r a g gr e f l e e t o r ) 结构， 如图21 所显示布喇格反射层【2 l 【2 1 i 是两种折射率不同的材料周期交替生长的层 状结构，它可以用做起到反射镜的作用。 国2 1 d b r 结构 d b r 结构直接利用金属有机化学气相沉积法( m o c v d ) 设备进行生长，无须再 次加工处理l ”i 。一 ! !垂亘塑些堡壶鱼型墨；婴堂堡壁塾里 4 ) 芯片外观结构处理 一般的发光二极管都是立方体的结构，光在l e d 内部传输的光程很长，从而 增加了有源层和自由载流子对光的吸收。l h a m e s 等人利用特殊的方法，将i n g a a i p 红光l e d 台面制成平头倒盒字塔形状的结构，键合到透明基片上，实现了5 0 以 卜的外量子效率。l e d 芯片被切去四个方向的下角，斜面与垂直方向央角为3 5 。， 成倒台字塔形【川，如图22 和图23 所示。 p - g a p 削2 2 止住发光的倒金字塔形状红光l e d豳2 3 倒金字塔形状红光l e d 削面光线射刚 l e d 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| 三【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。 5 ) 通过封装来提高l e d 的出光效率 如图2 , 4 所显示的那样。封装过的l e d 由于中间e p o x yd o m e 的作用，可以 在同样出光锥的情况下让更多的光予出射到空气中来，从而提高其出射效率。 圈2 4 未封装与封装过的l e d 出射光线比较 有文献已经计算发现有了e p o x y d o m e 之后，同样的出光锥下，出光卑提高到 了原来的1 0 9 i 2 “。 6 ) 通过倒装焊的方法提高l e d 的出光效率 对于g a n 基l e d 通过倒装焊删的方法，可以利用衬底a 1 2 0 3 折射率处于 g a n 折射率与空气折射率之问的优点，就象在上一个方法通过封装来提高l e d 的 涉 第二章增加l e d 光提取效率的方法1 9 出光效率一样，如图2 5 所显示。 m q w 图2 5 倒装焊l e d 另外倒装焊接还解决了p 型电极遮挡光线出射的问题，不过倒装焊接还存在 焊接均匀度，工艺复杂的问题。 7 ) m o t h e y e t 2 7 】【2 8 1 结构提高出光效率 m o t h e y e 利用折射率渐变，界面不发生全反射，提高出光效率。 8 ) 表面等离子激元【2 9 j ( s u r f a c ep l a s m o n ) 在外加电磁场的作用下，金属一电介质界面的感生电荷会在空间上发生疏密 振荡，这就是所谓s u r f a c ep l a s m o n 。振荡的电荷，会激发出同频率的电磁波，这 种波只能沿着金属电介质的界面进行传播，在垂直于界面的方向上是指数衰减的 渐逝波，并不能辐射出来。 j l z z ： o ，m e t a l e2e2 x ? z k o ，d i e l e c t r i c 争 e = e l 。； 耘 1 一一。 罄 。j 。惦。j 图2 6 金属与电介质界面示慈图 假设界面设置如图2 6 所示，通过麦克斯韦方程组可以知道，在垂直于界面的 方同上是渐逝波。这种渐逝波的穿透深度一般为几n l n 到几十姗。如果界面到半 导体有源层的距离和金属的厚度都小于穿透深度，则有源层发出的光可以通过 s u f a c ep l a s m o n 藕合出来。藕合的强度由有源层的发光频率和s u r f a c ep l a s m o n 的共 振频率【3 0 】【3 l 】【3 2 l 来决定。t f k r a u s s 指出如果在金属半导体界面上制作出类似于光 表面粗化提高g a n 基l e d 光提取效率 子晶体的周期结构可以增强半导体l e d 发光的耦合输出，其原理己被应用于半导 体光电探测器和单模p l a s m o n 激光器。 9 ) 利用光子晶体技术p 3 ( p h o t o n i cc r y s t a l ) 在光子晶体中，由于介电常数在空间的周期性变化，存在类似于半导体晶体 那样的周期性势场。当介电常数的变化幅度很大并且变化周期长度与光的波长可 相比拟时，介质的布拉格散射会产生带隙，即光子带隙。频率落在禁带中的光是 被严禁传播的光子晶体又叫光子带隙( p b g p h o t o n i cb a n dg a p ) 或者叫电磁晶体 ( e l e c t r o m a g n e t i cc r y s t a l s ) 。目前理论计算是利用时域有限差分法f d t d 3 4 】【3 5 1 。 目前人为在光子晶体中加入杂质，从而在光子禁带中产生品质因子非常高的 杂质态，可以实现自发辐射的增强。据此可以制作宽频带、低损耗的全方位光反 射镜3 6 】【3 7 1 和高效率的发光二极管【3 8 】【3 9 】。 1 0 ) 其他技术 比如说准晶，或将上述方法同时结合起来。 2 4 本章小结 本章主要介绍了影响l e d 发光性能的因素，根据此因素提出了目前l e d 出光 效率存在的问题。目前提高l e d 的发光效率有很多种不同的方法。在本章主要是 介绍了衬底激光剥离技术( l a s e rl i r o 毋、表面粗化技术( s u r f a c e t e x t u r e dl e d ) 、分 布布喇格反射层( d e f l e c t e db r a g gr e f l e c t o r d b r ) 结构、芯片外观结构处理、通过 封装来提高l e d 的出光效率、通过倒装焊的方法提高l e d 的出光效率、利用光子 晶体技术( p h o t o n i cc r y s t a l ) 、表面等离子激元、m o t h e y e 结构提高出光效率、其他 技术比如说准晶，或者将上述的方法同时结合起来。其中的很多技术已经发展的 相当成熟并且已经大批量的投入生产，广泛的应用于我们现在的工作和学习中。 第三章c a n 的干法刻蚀和湿法腐蚀 2 1 第三章g a n 的干法刻蚀和湿法腐蚀 族氮化物是一种很重要的宽带隙半导体材料【加】。与其他半导体材料相比， i 族氮化物的化学性质不活泼，并且具有很强的化学键。高键能特性使得i i i 族氮 化物具有很多优势：宽带隙、热稳定性好以及高温下器件特性不易恶化等，因此 它可以用来制造紫光到黄光范围的光电子器件和高温、高频、高功率微电子器件 【4 l 】。但是高键能也使得在刻蚀i i i 族氮化物时需要比其他半导体材料更高的激活能。 为了实现g a n 基l e d 外延片表面粗化的效果，本章主要介绍g a n 各种刻蚀技术 的原理、优缺点以及实用性。 3 1 干法刻蚀 干法刻蚀是指在低气压下与等离子体有关的刻蚀方法。目前干法刻蚀主要包 括反应离子腐蚀、高密度等离子体刻蚀、其它的等离子体刻蚀。下面对各种刻蚀 方法做具体介绍。 ( 1 ) 反应离子腐蚀( r i e ) r i e 是通过射频二极放电产生的高频等离子体对位于射频电极之上的基片进 行刻蚀。r i e 的反应机理同时具有物理的与化学的效应。系统原理图见图3 1 两平 行电极置于反应气体中并工作于1 3 5 6 m h z ，两平行电极之间产生等离子体。样品 置于功率电极之上。等离子体中形成的离化的反应物与样品表面产生物理的与化 学的相互作用，从而样品被腐蚀。用几百电子伏的离子撞击样品表面，腐蚀会得 到增强。r i e 一般在几m t o r 到2 0 0 r o t o r 的低压下进行，从而降低了离子的碰撞散 射。 b s t 毒t 蛆 图3 1r i e 系统原理图 l 表面粗化提高g a n 基l e d 光提取效率 ( 2 ) 高密度等离子体刻蚀 低损伤、高密度等离子体干法刻蚀比r i e 得到更好的腐蚀效果。在高密度等 离子系统中，等离子体密度超过5x1 0 1 1 9 r 1 1 - 3 。这些系统具有更高的离子通量和较 高的电中性反应物通量，从而具备达到更高腐蚀速率的潜力。 a ) e c r 由于2 4 5 g h z 的微波频率下磁场对电子的作用，高密度等离子体可在低压和 低能的条件下产生，样品被置于微波的下行方向，从而减小了强放电效应和离子 轰击的影响。因此，e r c 方法可比r i e 方法得到更低的损伤，在样品上加上 1 3 5 6 m h z 的射频电压并采用小于5 m t o r 的低压可以得到很强的各向异性，减小离 子散射与横向腐蚀。系统原理图如图3 2 所示。 图3 2 e c r 系统原理图 b ) i c p 在i c p 系统中，介电腔被加上射频功率的电感线圈环绕，在腔中产生了高密 度的等离子体。电感应线圈所产生的水平电场感应出垂直平面内的磁场，将电子 限制于腔体中心，产生了高密度等离子体，在2 0 m t o r 的低压下，等离子体从产生 区向样品表面作低能迁移。因此，i c p 腐蚀方法也可得到高腐蚀速率且引起的损伤 较低。同样各向异性的腐蚀形貌也是通过在样品上加上射频偏置得到的。当偏置 增加时，腐蚀速率增加、形貌各向异性、表面平整光滑。下图是i c p 系统原理图。 图3 3i c p 系统原理图 第三章g a n 的干法刻蚀和湿法腐蚀 c ) m i e m i e 与r i e 类似，但加上磁场。磁场把电子约束在功率电极附近，从而电子 更靠近样品。这样，降低了电子损耗，提高了腐蚀速率。在保持较高的腐蚀速率 下，样品损伤得到了降低。在b c l 3 等离子系统中，在1 0 0 v 直流偏置和5 m t o r 的 低压下，得到了3 5 0 n m m i n 的腐蚀速率，腐蚀表面光滑。 ( 3 ) 其它的等离子体刻蚀 离子束技术，包括化学增强离子束腐蚀( c a i b e ) 和反应离子束腐蚀( r i b e ) 等。与e c r 、i c p 的区别在于加速栅极的使用，栅极置于样品和离子源之间，离 子加速和五毫托低压的使用使腐蚀形貌各向异性，但仍然存在等离子体引起损伤 的可能。 3 2 湿法腐蚀 干法刻蚀易引起g a n 表面的损伤，因此研究、探索新的低损伤的刻蚀方法具有 重要的实用意义。湿法腐蚀可以提供低损伤的腐蚀效果，通常具有很高的选择性， 并且有工艺成本低的优点，用比较简单的设备就可以实现，因此在s i ，g a a s 和i n p 等器件制备中被普遍采用【4 2 】。本论文主要是研究表面粗化对于g a n 基l e d 光提取 效率，所以在这里我们主要讨论g a n 的湿法腐蚀。 1 ) 外延g a n 的传统腐蚀 一些早期的报道【4 3 】曾指出g a n