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利用表面粗化技术提高发光二极管的出光效率

导读: GaN 基材料在光电器件中的应用,得到了越来越多人的关注。由于近来 GaN 基发光二极管的亮度取得了很大的提高,使得 GaN 基发光二极管在很多领域都取得了应用

         GaN 基材料在光电器件中的应用,得到了越来越多人的关注。由于近来 GaN 基发光二极管的亮度取得了很大的提高,使得 GaN 基发光二极管在很多领域都取得了应用,例如交通信号灯、移动电话背光、汽车尾灯、短距离通信、光电计算机互联等。但是由于非辐射缺陷的作用,使得 GaN 基发光二极管的内量子效率在室温时,远远小于 100% 。此外,导致 GaN 基发光二极管外量子效率不高的原因很大程度上在于氮化物外延层和空气的反射系数差异较大导致的全反射问题。根据报道, GaN 和空气的反射系数分别是 2.5 和 1 。因此在 InGaN-GaN 活性区产生的光能够传播出去的临界角约为 23° 。这大大限制了 GaN 基发光二极管的外量子效率 [1] 。很多人在提高 GaN 基发光二极管的出光效率方面都做了很多工作,方法也比较多。下面主要介绍一下利用表面粗化的办法来提高器件的出光效率。

  Huang 等人 [2] 利用激光辐照的方法在传统的 IaGaN/GaN 发光二极管上部 p-GaN 表面形成纳米级粗糙层。这里所说的传统的 GaN 发光二极管的结构为: 560 ℃ 生长 30nm 厚的

       GaN 低温缓冲层,一个 2μm 厚的未掺杂 GaN 层,一个在 1050 ℃ 生长的 1.5μm 厚的 n-GaN 层,一个包含 5 个循环的的 In 0.21 Ga 0.79 N 2nm /GaN 5nm 多量子井层,一个 0.3μm 厚的 p-GaN 层。并且采用表面粗化处理的器件和传统器件采用相同的生长方法和步骤制备。经过表面粗化后, p-GaN 表面均方根粗糙度由 2.7nm 增加到了 13.2nm 。结果显示,采用表面粗化处理的器件的在加上 20mA 电流时,亮度提高了 25% 。但是工作电压从 3.55 降低到了 3.3V 。采用表面粗化处理的器件的系统电阻降低了 29% ,这是因为表面粗化后增加了接触面积和经过激光辐照后,具有了更高的空穴浓度。
  
      很多人 [3-7] 利用表面粗化来提高出光效率做了研究,主要利用的方法包括表面粗化、晶片键合和激光衬底剥离技术等。但是这些研究都只把注意力放在了 GaN 基发光二极管顶部一个表面的粗化上。 W. C. Peng 等人 [8] 对利用双层表面粗化来提高出光效率做了研究。 Wei chih peng 等人制备了三种 LED 器件。如图 1 所示。其中 CV-LED 表示未作任何表面粗化处理的 LED 。 PR-LED 表示 p-GaN 进行粗化处理的 LED 。 DR-LED 表示 p-GaN 层和 undoped-GaN 层进行粗化处理的 LED 。
                               
                                                   图 1 :器件结构示意图
  这里 LED 的器件结构包括:蓝宝石衬底上在 550 ℃ 生长的缓冲层、一个在 1050 ℃ 生长的 2μm 厚的 undoped-GaN 层、一个在 1050 ℃ 生长的 2μm 厚的 n-GaN 层、一个在 800 ℃ 生长的,包含 6 个循环的 InGaN(3 nm) /GaN(9 nm) 多量子井和一个在 950 ℃ 生长的 p-GaN 层。经过粗化处理的表面与未处理之前的扫描电镜照片如图 2 所示。 

                                 图 2. 扫描照片结果
                       
                               (a) 未经过处理的 p-GaN 表面
                        
                              (b) 经过粗化处理的 p-GaN 表面  
                      
                             (c) 经过粗化处理的 undoped-GaN 表面
  
         未经过粗化处理前, p-GaN 表面的均方根粗糙度为 11.8nm 。而经过粗化处理的 p-GaN 表面的均方根粗糙度达到了 71.6nm 。而经过粗化处理的 undoped-GaN 表面有很多三维的岛状结构。均方根粗糙度达到了 91.9nm 。
  
         经过表面粗化后,器件的性能并没有受到影响。在注入电流为 20mA 时, DR-LED 正面出光强度为 133mcd , 是未经粗化处理的器件的 2.77 倍。背面出光强度为 178mcd ,是 CV-LED 器件的 2.37 倍。这是因为经过表面粗化后,可以给光子提供更多出射的机会,而且开始出射角度在临界角之外的光也可以通过多次折射,最后进入临近角内,使器件获得更多的出光。
 
[1] W. Schmid, F. Eberhard, M. Schauler, M. Grabherr, R. King, M. Miller, E. Deichsel, G. Stareev, U. Martin, R. Jaeger, J. Joos, R. Michalzik, K.J. Ebeling, SPIE 3621 (1999) 198–205.
[2] H.-W. Huang et al. / Materials Chemistry and Physics 99 (2006) 414–417
[3] R. Windisch, B. Dutta, M. Kuijk, A. Knobloch, S. Meinlschmidt, S. Schoberth, P. Kiesel, G. Borghs, G. H. Dohler, and P. Heremans, IEEE Trans. Electron Devices 47 , 1492 (2000).
[4] Chul Huh, Kug-Seung Lee, Eun-Jeong Kang, and Seong-Ju Park , J. Appl. Phys. 93 , 9383 (2003).
[5] Y. P. Hsu, S. J. Chang, Y. K. Su, S. C. Chen, J. M. Tsai, W. C. Lai, C. H. Kuo, and C. S. Chang, IEEE Photonics Technol. Lett. 17 , 1620 (2005).
[6] C. M. Tsai, J. K. Sheu, W. C. Lai, Y . P. Hsu, P. T. Wang, C. T. Kuo, C. W. Kuo, S. J. Chang, and Y. K. Su, IEEE Electron Device Lett. 26 , 464(2005).
[7] C. H. Liu, R. W. Chuang, S. J. Changb, Y. K. Su, L. W. Wu, and C. C. Lin, Mater. Sci. Eng. , B 112 , 10 (2004).
[8] W. C. Peng and Y. C. S. Wu, Appl. Phys. Lett. 89 , 041116 (2006)

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