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使用金字塔反射鏡增強(qiáng)出光效率的GaInN發(fā)光二極管
點(diǎn)擊次數(shù)：1402 發(fā)布時(shí)間：2007/7/31 14:06:00
GaInN 發(fā)光二極管（ LEDs ）在使用了一個(gè)包含三維（ 3-D ）金字塔型 SiO2 陣列和 Ag 層的反射鏡后，相對(duì)于使用平面 Ag 反射鏡的 GaInN LEDs ，光的提取效率提高了。射線跟蹤模擬顯示金字塔型反射鏡使得器件的光提取效率提高了 14.1% 。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示具有金字塔反射鏡的 GaInN LEDs 在光的輸出方面，相對(duì)于傳統(tǒng)平面 Ag 反射鏡器件，提高了 13.9% 。與模擬結(jié)果相一致。
１介紹
III–V 氮化物 在短波可見光譜和近紫外光譜部分具有非常高的內(nèi)量子效率。然而，對(duì) III–V 氮化物發(fā)光二極管的出光效率的提高還有很大的需要。很多方法也都被采用過，希望提高器件的出光效率，包括芯片外形技術(shù) [1] 、芯片倒裝 [2] 、 LED 上表面粗化 [3] 、光子晶體 [4] 和增加高反射率的反射鏡 [5-8] 。
在提高 LEDs 出光效率時(shí)需要面對(duì)的一個(gè)重要的問題就是內(nèi)部全反射 (TIR) 。被內(nèi)反射回來的光反復(fù)的在半導(dǎo)體 / 外部介質(zhì)界面處或被平面反射鏡中間傳播。由于晶面損失和活性區(qū)的再吸收，導(dǎo)致出光效率降低。
２器件結(jié)構(gòu)和光學(xué)模擬
在本文的工作中，采用了一個(gè)新型的 3 維結(jié)構(gòu) (3-D) 的反射鏡，即包含金字塔型 SiO2 陣列和 Ag 層的反射鏡，該反射鏡的使用，提高了 GaInN LEDs 的出光效率。出光效率的增強(qiáng)被認(rèn)為是光被金字塔反射鏡反射后改變了傳播方向，增加了出光。
傳統(tǒng)的具有平面反射鏡的 GaInN LEDs 光學(xué)模型和光的軌跡如圖 1(a) 所示。傳統(tǒng) LED 的出射錐（ the escape cone ）如 cone 1 所示，由 Snell 定律計(jì)算可知，出射錐的大小范圍在 在出射錐范圍內(nèi)的光，例如 ray 1 ，可以出射到自由空間。然后，在 cone 1 外的光，例如 ray 2 ，因?yàn)槿瓷涞脑?，被限制在器件?nèi)部。
圖 1. 光線在（ a ）傳統(tǒng) Ag 平面發(fā)射鏡的 GaInN LED 器件和（ b ）金字塔型反射鏡的 GaInN LED 器件中的追蹤模擬
圖 1 （ b ）是使用了金字塔反射鏡的 LEDs 示意圖，其中 。 Cone 1 仍然是金字塔結(jié)構(gòu)反射鏡的出射錐，此外， cone 2 的錐角還有個(gè)錐角范圍 ，在 中的光經(jīng)過多次反射，可以進(jìn)入 中，后出射到自由空間，例如 ray 2 。通過 Snell 定律計(jì)算， 。因此，因此金字塔型反射鏡可以提高器件的出光效率。
對(duì)使用傳統(tǒng)反射鏡和使用金字塔反射鏡的 LEDs 器件也進(jìn)行了光線軌跡的追蹤模擬。在模擬中，金字塔基長(zhǎng)度 ，兩個(gè)金字塔距離 。 GaInN LEDs 器件芯片大小為 ，厚度為 100μm 。模擬使用的光線波長(zhǎng) ：=1.47 ， =2.5 ， =1.79 ， =0.173 分別是 SiO2 、 GaN 、 sapphire 和 Ag 的折射系數(shù)。 = 150cm -1 是 GaN 的吸收系數(shù)。 k Ag =1.95 是 Ag 的消光系數(shù)。為了得到大的出光效率，不同的傾斜角度 被模擬，模擬的結(jié)果如表 1 所示。模擬結(jié)果顯示，金字塔反射鏡有效的提高了 LEDs 的出光效率，總的出光效率提高了 14.1% 。
表 1. 使用不同金字塔反射鏡斜面角度對(duì) GaInN LEDs 器件出光效率的模擬結(jié)果，當(dāng) =0° 時(shí)，相當(dāng)于使用的是 Ag 平面反射鏡。 (NA= not applicable)
3 器件制備
為了驗(yàn)證我們新概念的效果，具有金字塔反射鏡的，發(fā)出的光的波長(zhǎng)在 400μm 的 GaInN LED 被制備。 GaInN LED 器件通過 MOCVD 生長(zhǎng)在 c 面寶石襯底上，結(jié)構(gòu)包括一個(gè) 3μm 的 n 型 GaN 緩沖層，一個(gè) n 型 GaN 下包覆層，一個(gè) GaInN-GaN 多量子井活性區(qū)，一個(gè) p 型 GaN 上包覆層。 LED 的臺(tái)面結(jié)構(gòu)通過標(biāo)準(zhǔn)的平板印刷圖形的方式獲得，然后通過使用 Cl 2 和 Ar 的化學(xué)離子束刻蝕，暴露出 n 型 GaN 包覆層。一個(gè) 1.4μm 厚的 SiO 2 層通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法沉積到晶片上。 P 型臺(tái)面上的 SiO2 金字塔陣列在印刷之后，通過緩沖層氧化刻蝕劑（ buffered oxide etchant ，簡(jiǎn)寫為 BOE ）刻蝕 13 分鐘。 BOE 開始刻蝕沒有被光刻膠覆蓋的 SiO 2 區(qū)域，如圖 2 （ a ）所示。這個(gè)過程不斷的在垂直方向和水平方向同時(shí)進(jìn)行，后在 p 型 GaN 臺(tái)面上刻蝕出
25° 的金字塔型 SiO 2 陣列。金字塔結(jié)構(gòu)頂部的掃描電鏡照片如圖 2 （ b ）所示。在同一次刻蝕中，金字塔斜面角度變化在 5°之內(nèi)。在同一個(gè)樣品中，所有的金字塔的傾斜角度沒有明顯的不同。每個(gè) SiO 2 金字塔基長(zhǎng)度 。兩個(gè)金字塔的距離 ，金字塔的高度維 0.8μm 。金字塔制備完以后， 2nm 的 NiZn （ Zn 的 wt% 為 10% ）和 600nm 的 Ag 被沉積到制備了金字塔結(jié)構(gòu)的 p 型 GaN 臺(tái)面上，在氧氣氣氛下， 500 ℃ 退火 1 分鐘，形成歐姆接觸。后在器件上制備 n 型 Ti-Al-Ni-Au 電極，完成器件制備。器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2 （ c ）所示。作為對(duì)比，具有圖 2 （ d ）結(jié)構(gòu)，使用 Ag 平面反射鏡的 LED 器件結(jié)構(gòu)被制備。
圖 2. （ a ）化學(xué)濕法刻蝕制備金字塔結(jié)構(gòu)（ b ） SiO2 金字塔結(jié)構(gòu)頂部的掃描電鏡照片（ c ）具有金字塔反射鏡結(jié)構(gòu)的 GaInN LED （ d ）具有平面 Ag 反射鏡的 GaInN LED
4 器件特性
LED 器件背面的電致發(fā)光強(qiáng)度通過大面積（ 10× 10mm 2 ） Si 光電探測(cè)器測(cè)量，所加偏壓為 -5.0V 。器件的光輸出 - 電流特性曲線如圖 3 所示。具有金字塔反射鏡的 GaInN LEDs 器件的光輸出功率明顯的高于使用傳統(tǒng)平面 Ag 反射鏡的 GaInN LEDs 器件的輸出功率。當(dāng)注入電流維 20mA 時(shí)，光輸出功率提高 13.9% 。這個(gè)提高與模擬的結(jié)果 14.1% 基本一致。我們認(rèn)為效率的提高主要是金字塔型反射鏡提高了出光效率的結(jié)果。圖 3 中也顯示了 GaInN LEDs 器件的電流 - 電壓特性曲線。當(dāng)正向電壓為 20mA 時(shí)，使用金字塔反射鏡的 LED 的電壓為 3.77V ，而使用平面 Ag 反射鏡的 LED 的電壓為 3.52V 。當(dāng)減小金字塔反射鏡和 p 型 GaN 的接觸面積的時(shí)候，可以獲得更高的電壓。這預(yù)示著通過增加器件所加的正向電壓和優(yōu)化金字塔反射鏡的大小和間距，使用金字塔型反射鏡的 GaInN LEDs 器件的出光效率還可以進(jìn)一步提高。
圖 3. 分別具有金字塔型反射鏡和平面 Ag 反射鏡的 GaInN LED 的光輸出功率 - 注入電流關(guān)系曲線和電壓 - 電流關(guān)系曲線
5 結(jié)論
包含金字塔型 SiO 2 陣列和 Ag 層結(jié)構(gòu)反射鏡的 GaInN LEDs ，相對(duì)于使用 Ag 平面反射鏡的 GaInN LEDs 器件的出光效率，可以提高 13.9% 。光線追蹤模擬顯示，金字塔反射鏡可以提高 GaInN LEDs 器件 14.1% 的出光效率。這和我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。這個(gè)結(jié)果被認(rèn)為是由于 3-D 結(jié)構(gòu)的反射鏡，通過改變光的傳播方向，使得更多的光進(jìn)入到出射錐中，增加了出光效率。
參考文獻(xiàn)
[1] M. R. Krames, M. O. Holcomb, G. E. Höfler, C. Carter-Coman, E. I. Chen, M. G. Craford, T. S. Tan, C. P. Kocot, M. Hueschen, J. Posselt, B. Loh, G. Sasser, and D. Collins, “High-power truncated-invertedpyramid (Al Ga ) In P/GaP light-emitting diodes exhibiting >50%external quantum efficiency,” Appl. Phys. Lett. , vol. 75, p. 2365, 1999.
[2] J. J. Wierer, D. A. Steigerwald, M. R. Krames, J. J. O. Shea, M. J. Ludowise, G. Christenson, Y.-C. Shen, C. Lowery, P. S.Martin, S. Subramanya, W.Götz, N. F. Gardner, R. S.Kern, and S. A. Stockman, “Highpower AlGaInN flip-chip light-emitting diodes,” Appl. Phys. Lett. , vol.
78, p. 3379, 2001.
[3] T. Fujii, Y. Gao, R. Sharma, E. L. Hu, S. P. DenBaars, and S. Nakamura, “Increase in the extraction efficiency of GaN-based light-emitting diodes via surface roughening,” Appl. Phys. Lett. , vol. 84, p. 855, 2004.
[4] M. Boroditsky, T. F. Krauss, R. Coccioli, R. Vrijen, R. Bhat, and E. Yablonovitch, “Light extraction from optically pumped light-emitting diode by thin-slab photonic crystals,”
Appl. Phys. Lett. , vol. 75, p. 1036, 1999.
[5] T. Kato, H. Susawa, M. Hirotani, T. Saka, Y. Ohashi, E. Shichi, and S. Shibata, “GaAs/GaAlAs surface emitting IR LED with Bragg reflector grown by MOCVD,” J. Cryst. Growth , vol. 107, p. 832, 1991.
[6] Y. Kondoh, S. Watanabe, Y. Kaneko, S. Nakagawa, and N. Yamada, “Nitride semiconductor light emitting device having a silver p-contact,” U.S. Patent 6 194 743, 2001.
[7] J. K. Kim, Th. Gessmann, E. F. Schubert, J.-Q. Xi, H. Luo, J. Cho, C. Sone, and Y. Park, “GaInN light-emitting diode with conductive omnidirectional reflector having a low-refractive-index indium-tin oxide layer,” Appl. Phys. Lett. , vol. 88, p. 013501, 2006.
[8] J.-Q. Xi, M. Ojha, W. Cho, J. L. Plawsky, W. N. Gill, Th. Gessmann, and E. F. Schubert, “Omnidirectional reflector using nanoporous SiO2 as a low-refractive-index material,” Opt. Lett. , vol. 30, p. 1518, 2005.
[9] G. H. B. Thompson , Physics of Semiconductor Laser Devices . New York : Wiley, 1980, ch. 6,
１介紹
III–V 氮化物 在短波可見光譜和近紫外光譜部分具有非常高的內(nèi)量子效率。然而，對(duì) III–V 氮化物發(fā)光二極管的出光效率的提高還有很大的需要。很多方法也都被采用過，希望提高器件的出光效率，包括芯片外形技術(shù) [1] 、芯片倒裝 [2] 、 LED 上表面粗化 [3] 、光子晶體 [4] 和增加高反射率的反射鏡 [5-8] 。
在提高 LEDs 出光效率時(shí)需要面對(duì)的一個(gè)重要的問題就是內(nèi)部全反射 (TIR) 。被內(nèi)反射回來的光反復(fù)的在半導(dǎo)體 / 外部介質(zhì)界面處或被平面反射鏡中間傳播。由于晶面損失和活性區(qū)的再吸收，導(dǎo)致出光效率降低。
２器件結(jié)構(gòu)和光學(xué)模擬
在本文的工作中，采用了一個(gè)新型的 3 維結(jié)構(gòu) (3-D) 的反射鏡，即包含金字塔型 SiO2 陣列和 Ag 層的反射鏡，該反射鏡的使用，提高了 GaInN LEDs 的出光效率。出光效率的增強(qiáng)被認(rèn)為是光被金字塔反射鏡反射后改變了傳播方向，增加了出光。
傳統(tǒng)的具有平面反射鏡的 GaInN LEDs 光學(xué)模型和光的軌跡如圖 1(a) 所示。傳統(tǒng) LED 的出射錐（ the escape cone ）如 cone 1 所示，由 Snell 定律計(jì)算可知，出射錐的大小范圍在 在出射錐范圍內(nèi)的光，例如 ray 1 ，可以出射到自由空間。然后，在 cone 1 外的光，例如 ray 2 ，因?yàn)槿瓷涞脑?，被限制在器件?nèi)部。
圖 1. 光線在（ a ）傳統(tǒng) Ag 平面發(fā)射鏡的 GaInN LED 器件和（ b ）金字塔型反射鏡的 GaInN LED 器件中的追蹤模擬
圖 1 （ b ）是使用了金字塔反射鏡的 LEDs 示意圖，其中 。 Cone 1 仍然是金字塔結(jié)構(gòu)反射鏡的出射錐，此外， cone 2 的錐角還有個(gè)錐角范圍 ，在 中的光經(jīng)過多次反射，可以進(jìn)入 中，后出射到自由空間，例如 ray 2 。通過 Snell 定律計(jì)算， 。因此，因此金字塔型反射鏡可以提高器件的出光效率。
對(duì)使用傳統(tǒng)反射鏡和使用金字塔反射鏡的 LEDs 器件也進(jìn)行了光線軌跡的追蹤模擬。在模擬中，金字塔基長(zhǎng)度 ，兩個(gè)金字塔距離 。 GaInN LEDs 器件芯片大小為 ，厚度為 100μm 。模擬使用的光線波長(zhǎng) ：=1.47 ， =2.5 ， =1.79 ， =0.173 分別是 SiO2 、 GaN 、 sapphire 和 Ag 的折射系數(shù)。 = 150cm -1 是 GaN 的吸收系數(shù)。 k Ag =1.95 是 Ag 的消光系數(shù)。為了得到大的出光效率，不同的傾斜角度 被模擬，模擬的結(jié)果如表 1 所示。模擬結(jié)果顯示，金字塔反射鏡有效的提高了 LEDs 的出光效率，總的出光效率提高了 14.1% 。
表 1. 使用不同金字塔反射鏡斜面角度對(duì) GaInN LEDs 器件出光效率的模擬結(jié)果，當(dāng) =0° 時(shí)，相當(dāng)于使用的是 Ag 平面反射鏡。 (NA= not applicable)
3 器件制備
為了驗(yàn)證我們新概念的效果，具有金字塔反射鏡的，發(fā)出的光的波長(zhǎng)在 400μm 的 GaInN LED 被制備。 GaInN LED 器件通過 MOCVD 生長(zhǎng)在 c 面寶石襯底上，結(jié)構(gòu)包括一個(gè) 3μm 的 n 型 GaN 緩沖層，一個(gè) n 型 GaN 下包覆層，一個(gè) GaInN-GaN 多量子井活性區(qū)，一個(gè) p 型 GaN 上包覆層。 LED 的臺(tái)面結(jié)構(gòu)通過標(biāo)準(zhǔn)的平板印刷圖形的方式獲得，然后通過使用 Cl 2 和 Ar 的化學(xué)離子束刻蝕，暴露出 n 型 GaN 包覆層。一個(gè) 1.4μm 厚的 SiO 2 層通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法沉積到晶片上。 P 型臺(tái)面上的 SiO2 金字塔陣列在印刷之后，通過緩沖層氧化刻蝕劑（ buffered oxide etchant ，簡(jiǎn)寫為 BOE ）刻蝕 13 分鐘。 BOE 開始刻蝕沒有被光刻膠覆蓋的 SiO 2 區(qū)域，如圖 2 （ a ）所示。這個(gè)過程不斷的在垂直方向和水平方向同時(shí)進(jìn)行，后在 p 型 GaN 臺(tái)面上刻蝕出
25° 的金字塔型 SiO 2 陣列。金字塔結(jié)構(gòu)頂部的掃描電鏡照片如圖 2 （ b ）所示。在同一次刻蝕中，金字塔斜面角度變化在 5°之內(nèi)。在同一個(gè)樣品中，所有的金字塔的傾斜角度沒有明顯的不同。每個(gè) SiO 2 金字塔基長(zhǎng)度 。兩個(gè)金字塔的距離 ，金字塔的高度維 0.8μm 。金字塔制備完以后， 2nm 的 NiZn （ Zn 的 wt% 為 10% ）和 600nm 的 Ag 被沉積到制備了金字塔結(jié)構(gòu)的 p 型 GaN 臺(tái)面上，在氧氣氣氛下， 500 ℃ 退火 1 分鐘，形成歐姆接觸。后在器件上制備 n 型 Ti-Al-Ni-Au 電極，完成器件制備。器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2 （ c ）所示。作為對(duì)比，具有圖 2 （ d ）結(jié)構(gòu)，使用 Ag 平面反射鏡的 LED 器件結(jié)構(gòu)被制備。
圖 2. （ a ）化學(xué)濕法刻蝕制備金字塔結(jié)構(gòu)（ b ） SiO2 金字塔結(jié)構(gòu)頂部的掃描電鏡照片（ c ）具有金字塔反射鏡結(jié)構(gòu)的 GaInN LED （ d ）具有平面 Ag 反射鏡的 GaInN LED
4 器件特性
LED 器件背面的電致發(fā)光強(qiáng)度通過大面積（ 10× 10mm 2 ） Si 光電探測(cè)器測(cè)量，所加偏壓為 -5.0V 。器件的光輸出 - 電流特性曲線如圖 3 所示。具有金字塔反射鏡的 GaInN LEDs 器件的光輸出功率明顯的高于使用傳統(tǒng)平面 Ag 反射鏡的 GaInN LEDs 器件的輸出功率。當(dāng)注入電流維 20mA 時(shí)，光輸出功率提高 13.9% 。這個(gè)提高與模擬的結(jié)果 14.1% 基本一致。我們認(rèn)為效率的提高主要是金字塔型反射鏡提高了出光效率的結(jié)果。圖 3 中也顯示了 GaInN LEDs 器件的電流 - 電壓特性曲線。當(dāng)正向電壓為 20mA 時(shí)，使用金字塔反射鏡的 LED 的電壓為 3.77V ，而使用平面 Ag 反射鏡的 LED 的電壓為 3.52V 。當(dāng)減小金字塔反射鏡和 p 型 GaN 的接觸面積的時(shí)候，可以獲得更高的電壓。這預(yù)示著通過增加器件所加的正向電壓和優(yōu)化金字塔反射鏡的大小和間距，使用金字塔型反射鏡的 GaInN LEDs 器件的出光效率還可以進(jìn)一步提高。
圖 3. 分別具有金字塔型反射鏡和平面 Ag 反射鏡的 GaInN LED 的光輸出功率 - 注入電流關(guān)系曲線和電壓 - 電流關(guān)系曲線
5 結(jié)論
包含金字塔型 SiO 2 陣列和 Ag 層結(jié)構(gòu)反射鏡的 GaInN LEDs ，相對(duì)于使用 Ag 平面反射鏡的 GaInN LEDs 器件的出光效率，可以提高 13.9% 。光線追蹤模擬顯示，金字塔反射鏡可以提高 GaInN LEDs 器件 14.1% 的出光效率。這和我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。這個(gè)結(jié)果被認(rèn)為是由于 3-D 結(jié)構(gòu)的反射鏡，通過改變光的傳播方向，使得更多的光進(jìn)入到出射錐中，增加了出光效率。
參考文獻(xiàn)
[1] M. R. Krames, M. O. Holcomb, G. E. Höfler, C. Carter-Coman, E. I. Chen, M. G. Craford, T. S. Tan, C. P. Kocot, M. Hueschen, J. Posselt, B. Loh, G. Sasser, and D. Collins, “High-power truncated-invertedpyramid (Al Ga ) In P/GaP light-emitting diodes exhibiting >50%external quantum efficiency,” Appl. Phys. Lett. , vol. 75, p. 2365, 1999.
[2] J. J. Wierer, D. A. Steigerwald, M. R. Krames, J. J. O. Shea, M. J. Ludowise, G. Christenson, Y.-C. Shen, C. Lowery, P. S.Martin, S. Subramanya, W.Götz, N. F. Gardner, R. S.Kern, and S. A. Stockman, “Highpower AlGaInN flip-chip light-emitting diodes,” Appl. Phys. Lett. , vol.
78, p. 3379, 2001.
[3] T. Fujii, Y. Gao, R. Sharma, E. L. Hu, S. P. DenBaars, and S. Nakamura, “Increase in the extraction efficiency of GaN-based light-emitting diodes via surface roughening,” Appl. Phys. Lett. , vol. 84, p. 855, 2004.
[4] M. Boroditsky, T. F. Krauss, R. Coccioli, R. Vrijen, R. Bhat, and E. Yablonovitch, “Light extraction from optically pumped light-emitting diode by thin-slab photonic crystals,”
Appl. Phys. Lett. , vol. 75, p. 1036, 1999.
[5] T. Kato, H. Susawa, M. Hirotani, T. Saka, Y. Ohashi, E. Shichi, and S. Shibata, “GaAs/GaAlAs surface emitting IR LED with Bragg reflector grown by MOCVD,” J. Cryst. Growth , vol. 107, p. 832, 1991.
[6] Y. Kondoh, S. Watanabe, Y. Kaneko, S. Nakagawa, and N. Yamada, “Nitride semiconductor light emitting device having a silver p-contact,” U.S. Patent 6 194 743, 2001.
[7] J. K. Kim, Th. Gessmann, E. F. Schubert, J.-Q. Xi, H. Luo, J. Cho, C. Sone, and Y. Park, “GaInN light-emitting diode with conductive omnidirectional reflector having a low-refractive-index indium-tin oxide layer,” Appl. Phys. Lett. , vol. 88, p. 013501, 2006.
[8] J.-Q. Xi, M. Ojha, W. Cho, J. L. Plawsky, W. N. Gill, Th. Gessmann, and E. F. Schubert, “Omnidirectional reflector using nanoporous SiO2 as a low-refractive-index material,” Opt. Lett. , vol. 30, p. 1518, 2005.
[9] G. H. B. Thompson , Physics of Semiconductor Laser Devices . New York : Wiley, 1980, ch. 6,
