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led芯片取光结构的研究
0 led芯片的荧光定量效率
照明设备的优点是积小、寿长、光线效率、节能环保等。被认为是继路灯和照明设备之后的新一代绿色光源。据统计,目前照明用电占全球总用电量的19%,利用现有的LED高效照明解决方案至少可节约40%的能耗,每年可减少5.55亿吨二氧化碳排放。然而,目前LED发光效率低,单灯功率不足,是限制LED应用于普通照明的主要瓶颈。LED的发光效率取决于内量子效率和外量子效率的乘积。随着外延生长技术和多量子阱结构的发展,超高亮度发光二极管的内量子效率己有了非常大的改善,如波长为625 nm的AlGaInP基超高亮度发光二极管的内量子效率已接近100%,待提高空间不大。因此,芯片的外量子效率(或称出光效率)几乎决定了LED芯片的发光效率。LED芯片的取光结构是提高芯片出光效率的有效途径,取光结构是指利用半导体或MEMS制造工艺,在LED芯片表面或内部各界面加工出能改变光线传播方向的微结构,使原本不能逸出芯片表面的有源层发出的光子逸出芯片表面,从而提高芯片出光效率。文中详细论述了当前LED芯片取光结构研究现状,并分析了LED取光结构未来发展的趋势。
1 led的出光效率
LED芯片出光效率低的主要原因之一是外延材料的折射率远大于空气折射率,使有源区产生的光由于全内反射不能从LED中有效地发射出去,从而导致LED的外量子效率很低。如对于目前应用广泛的GaN基LED,GaN的折射率为2.5,临界角为23.6°,即只有入射角小于23.6°的光子能逃逸出LED,其余光子发生全反射最终被LED吸收。对于AlGaInP系LED,GaP的折射率为3.4,临界角只有17°。根据Snell定律,有源区产生的光子只有将近1/(4n2)的部分能够从表面或侧面发射到体外(n表示半导体材料的折射率),对于GaN基LED,只有4%的光子能够射出LED,采用环氧树脂封装后,也只有百分二十几的光子能够逃逸出去;对于AlGaInP系LED,只有2%的光子能够逸出LED,采用环氧树脂封装后,发光效率也在10%以下。其余的光子因不能发射到体外,在体内被吸收转变成热,导致器件性能下降。因此,如何提高LED的出光效率,是LED的关键技术之一。取光结构是提高LED芯片出光效率的有效方法,其原理在于取光结构能够改变光线传播方向,使大于入射临界角而在芯片内部发生全反射的光线逸出芯片表面,相当于扩大了逸出锥,原理如图1所示。图1中,①、②、③代表光线,光线②和③由于入射角大于临界角发生全反射而不能逸出芯片,如图1(a)所示;图1(b)表示在芯片表面加工出取光结构后,使光线②和③改变传播方向而逸出芯片,从而使有源层发出的光子能够有效地被取出,同时又不损伤材料的电学和光学特性。
2 关于绿色芯片的光结构的研究
为提高LED芯片的出光效率,国内外学者做了大量研究工作,已经研究出多种取光结构用于提高LED芯片的出光效率。
2.1 图形衬底技术
从芯片有源层发出的光,大约一半射向上方,一半射向下方。对于GaN基LED,一般用蓝宝石作衬底,射向下方的光线只有极少部分被蓝宝石衬底反射后回到上方射出,大部分由于全反射而被芯片内部吸收。对于AlGaInP系LED,为了晶格匹配,选择了GaAs作为外延生长衬底,GaAs衬底的缺点是吸收光,大约有一半的光被衬底吸收。因此,如何使射向下方的光线逸出芯片,对提高芯片外量子效率起着至关重要的作用。解决的方法是使用图形衬底技术,图形衬底提高出光效率原理如图2所示。若是平面衬底,有源层向下发出的光经衬底反射后,大部分在芯片内部形成全反射而不能射出,如图1(a)所示。如在基板表面分布一些表面微结构,则可改变向下发出的光线的反射方向,从而使光线逸出芯片,光的提取原理示意图如图2所示。
Huang等用纳米印压光刻技术在GaN基LED基板上制备出纳米孔阵列,如图3所示,纳米孔尺寸为240 nm,间距为450 nm。试验结果表明,在20 mA的注入电流下,LED的输出功率提高33%。Lee等用电感耦合型等离子体反应离子刻蚀在蓝宝石衬底上制备出圆锥体阵列,如图4所示。在该衬底上制备出的GaN基LED,在20 mA的注入电流下,输出功率相对于传统光滑衬底提高了35%。Wuu等使用硫酸和磷酸的混合溶液湿法刻蚀出具有金字塔图形的蓝宝石衬底,如图5所示,相对于传统的蓝宝石衬底,输出功率提高25%。
在衬底上制备分布布拉格反射镜是用得较多的另一种图形衬底。有较高反射性能的分布布拉格反射镜通常由一个1/4波长的高、低指数重复周期选层所组成。分布布拉格反射镜反射了射向下方的大部分光,最高反射率超过95%。Lin利用电子束蒸发器在波长为400 nm的近紫外InGaN/AlGaN LED基板上沉积了材料为SiO2- Ta2O5的分布布拉格反射镜。结果表明,
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