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提高LED外量子效率
摘要
提高发光二极管的发光效率是当前的一个研究热点。简要介绍了从芯片技术角度提高发光二极管(LED)外量子效率的几种途径,生长分布布拉格反射层结构、制作透明衬底、衬底剥离技术、倒装芯片技术、表面粗化技术、异形芯片技术、采用光子晶体结构等。此外还介绍了发光材料、能带结构以及工艺对外量子效率的影响。
关键词:发光二极管;外量子效率
引言
自从l991年N ichia公司Nakamura等成功研制出掺Mg的同质结GaN蓝光LED后,GaN基LED得到了迅速发展。GaN基LED以其寿命长、耐冲击、抗震、高效节能等优异特性在图像显示、信号指示、照明以及基础研究等方面有着极为广阔的应用前景[1],将来还有可能代替白炽灯、荧光灯,实现人类照明史上的又一次革命。但目前商用白光LED的发光效率只有25耀50 lm/W,其发光效率与荧光灯相比还比较低[2]。表1[3]给出了不同年份LED的发光效率,可以看出近30年来LED的发光效率提高了250倍以上。
随着LED的应用越来越广泛,如何提高GaN基LED的发光效率越来越成为关注的焦点[2,4~6]。提高LED发光效率的两个基本出发点是提高其内量子效率和外量子效率。由于工艺和技术的成熟,已经可以制备内量子效率达到70%,80%的GaN基LED。因此,通过提高内量子效率来大幅度提高LED发光效率已没有很大的余地[2]。半导体照明LED关键技术之一也就是如何通过提高外量子效率来提升其出光效率。多年以来,人们开展了很多研究来提高其外量子效率[2]。下面主要介绍从芯片技术角度提高外量子效率的方法以及影响外量子效率的一些因素。
1提高外量子效率
1.1生长分布布拉格反射层(DBR)结构
DBR(distributed Bragg ref-lector)结构早在20世纪80年代由R.D.Burnham等[7]提出。它是两种折射率不同的材料周期交替生长的层状结构,它在有源层和衬底之间,能够将射向衬底的光反射回表面或侧面,减少衬底对光的吸收,提高出光效率。DBR结构可以直接利用金属有机化学气相沉积发法(MOCVD)设备进行生长,无需再次加工处理。
DBR结构由交替的多层高折射率和低折射率材料(折射率分别为hH和hL)组成,每层的光学厚度为发射波长的1/4。每层的厚度hH和hL分别为
其中,是发射波长,和qL分别是每层的入射角。DBR结构的反射率由材料的折射率和周期数p决定。当DBR结构为2p+1层时,其反射率为
当DBR结构为2p层,反射率为:
从(4)式可以看出:周期数越多,两种材料折射率相差越大,DBR结构的反射率也越大。DBR结构的LED如图1所示。Kato等和Saka等[7]首先利用这种方法提高了吸收型GaAS衬底上生长的红外GaAs/AlGaAs LED的效率。具有GaN/AlGaNDBR的AlInGaN蓝色LED也已见报道。一般情况下应用10~20个周期的DBR[8]。
传统DBR只对垂直入射和小角度入射的光有高反射率。对大倾斜角入射的光,由于其反射率很小,大部分光将透过DBR被GaAs衬底吸收,为此可以将两种不同中心波长的DBR组合成复合结构,这样就可以扩展反射带,从而大幅度提高LED器件的性能。于晓东等[9]制备了采用A10.6Ga0.4As/A1As复合DB R的LED器件,其出光效率较常规DBR可以提高约35豫,如配合其他优化结构,复合DBR结构对LED光提取效率的改善效果会更为明显。
带DBR结构也可以直接利用MOVCD设备进行一次外延生长完成,具有很好的成本优势,而且材料晶格常数与衬底匹配,反射率高,对器件的电学特性影响小,目前已经应用于商业生产。
1.2透明衬底技术
除了采用DBR结构将光反射掉,还可以将LED的GaAs衬底换成透明衬底,使光从下底面出射。透明衬底技术主要是为了消除吸收衬底的影响,增大出光表面积。
制作透明衬底的方法主要有:1)透明衬底可以在LED晶片生长结束后,移去吸光的n-GaAs衬底,利用二次外延生长出透明的、宽禁带导电层;2)先在n-GaAs衬底片上生长厚50um的透明层(例如AlGaAs),然后再移去GaAs衬底;3)采用粘合技术[7],将两个不同性质的晶片结合到一起,并不改变原来晶体的性质。用选择腐蚀的方式将GaAs衬底腐蚀掉后,在高温单轴力的作用下将外延片粘合到透明的n-GaP上。制成的器件是GaP衬底-有源层-GaP窗口层的三明治结构。它允许光从6个面出射,因而提高了出射效率[7]。
1994年Hewlett-Packard公司开始生产透明(AlxGa1-x)0.5In0.5P/GaP LED,这是当时所能获得的最高亮度的LED。据1996年的报道[7],636 nm的透明LED外量子效率可以达到23.7%;607.4 nm的透明衬底LED的发光效率达到50.1 lm/W[7]。
还有,InGaAlP LED通常是在GaAs衬底上外延生长InGaAlP发光区GaP窗口区制备而成。与InGaAlP相比,GaAs材料具有小得多的禁带宽度,因此,当短波长的光从发光区与窗口表面射入GaAs衬底时,将被吸收,成为器件出光效率不高的主要原因。如果采用透明衬底方法,先去除GaAs衬底,代之于全透明的GaP晶体,由于芯片内除去了衬底吸收区,量子效率从4%提升到了25%-30%。
1.3衬底剥离技术
为了减少衬底的吸收,除了采用透明衬底技术外,还可以采用衬底剥离技术。它是利用紫外激光照射衬底,熔化缓冲层而实现衬底剥离。该技术主要由3个关键工艺步骤完成:(1)在外延表面沉积键合金属层(如Pd 100 nm),在键合底板上(如Si底板)表面沉积一层1000 nm的铟;(2)将外延片低温键合到底板上;(3)用KrF脉冲准分子激光器照射蓝宝石底面,使蓝宝石和GaN界面的GaN产生热分解,再通过加热(40℃)使蓝宝石脱离GaN[10]。
这项技术首先由美国惠普公司在AlGaInP/GaAs LED上实现,因为GaAs衬底的吸收,使得LED内部光损失非常大。通过剥离GaAs衬底,然后粘接在GaP衬底上,可以提高近2倍的发光效率。2002年12月日亚公司[11]正式把它用UV LED的工艺上,使得其发光效率得到了很大的提高。2003年2月,德国OSRAM公司[12]用激光剥离技术(LLO)将蓝宝石去除,将LED出光效率提至75%,是传统LED的3倍,目前他们已建立了第一条LLO生产线。
此外,德国Osram Opto半导体公司[13]通过使用薄膜技术,发明了一种无衬底的LED设计方法,它采用GaAs衬底用作晶体生长,制作过程中,在LED的上表面镀了一层金属膜,然后粘合到一个分离的作为载体的薄晶片上。这种技术比传统的LED允许发射出更多的光。采用这种结构的615 nm红色LED能够获得超过50 lm/W的发光效率,使出光效率提高了一倍以上。
还有,如果将芯片键合到Cu片上,再用激光剥离蓝宝石衬底,可使散热能力提高4倍。Si的热导率比GaAs和蓝宝石都好,而且易于加工,价格便宜,是功率型芯片的首选材料[10]。
1.4倒装芯片技术
AlGaInN基LED外延片一般是生长在蓝宝石衬底上,由P/N结发光区发出的光透过上面的P型区射出,由于P型GaN电导率低,为满足电流扩展的要求,需要在P区表面形成一层Ni-Au组成的金属电极层。而且为了获得好的电流扩展,Ni-Au金属电极层不能太薄。但器件的发光效率就会因此受到很大影响,所以通常要同时兼顾电流扩展与出光效率两个因素。
采用GaN基LED倒装芯片技术可以解决这个问题[14]。该技术可增大输出功率、降低热阻,提高器件可靠性。它从蓝宝石衬底面出光,解决了电极遮光和蓝宝石散热不良的问题,在P电极上做上厚层的银反射器,然后通过电极凸点与基底上的凸点键合,基座用散热良好的Si材料制作,并可在基座上制作防静电电路。2001年美国Lumileds公司[15]倒装焊技术在大功率AlInGaN基芯片上的应用,避免了电极焊点和引线对出光效率的影响,改善了电流扩散性和散热性,背反射膜将传向下方的光反射回出光的蓝宝石