表面粗化提高GaN 基发光二极管光提取效率的研究

冯 异 西安中为光电科技有限公司 陕西西安 710065 7

【文章摘要】

通过对GaN 基发光二极管的表面进行粗化，可以改变出射光的方向，使那些满足全反射光改变方向后折射出来，从而提高了发光二极管的出光效率。实验结果表明，粗化芯片在20mA 注入电流下，粗化芯片的光提取效率提高了23%，由于接触面积的增加，正向电压降低了0.11V。

【关键词】

GaN 基发光二极管；表面粗化；光提取效率中图分类号：TN312.8 文献标识码：AGaN 基发光二极管由于具有体积小、寿命长、功耗低等优点，目前已经广泛应用于显示屏、景观照明、背光源等领域。芯片光提取效率是由内量子效率和外量子效率共同决定，在内量子效率一定的前提下，提高外量子效率尤为重要。光提取效率是LED 的一个重要参数, 然而对于GaN 基LED，由于全反射光子将会被反射回去，反射回来的光子，将无法逸出芯片。目前已经有很多方法用于提高光提取效率，包括表面粗化、倒金字塔结构、透明衬底技术、激光衬底剥离技术、倒装芯片、光子晶体、DBR、衬底设计。本文介绍了一种表面粗化的方法来提高GaN 基发光二极管光提取效率，减小了光的全反射，从而提高外量子效率的目的。

1 实验

在蓝宝石衬底上, 用MOCVD 生长的多个InGaN/GaN 量子阱的发光二极管的外延片。其结构从下到上分别为蓝宝石衬底、GaN 缓冲层、n-GaN、MQW 量子阱、p-GaN。为了有效地激活p-GaN 中的掺杂杂质的活性, 样品在750℃的氮气环境中退火20min, 使得p-GaN 的载流子浓度能够达到5×1017cm-3。用熔融KOH 对GaN外延片进行腐蚀，腐蚀温度220℃，腐蚀时间8min。用光刻胶做掩膜，使用ICP 刻蚀系统在外延片刻蚀出n-GaN 形成LED台面。用金属蒸发台在外延片上蒸镀一层ITO，作为透明导电层，采用光刻胶做掩膜，用湿法腐蚀的方法去除p-GaN 以外区域的ITO，然后在500℃的条件下进行合金10min 形成p 电极的欧姆接触层，然后在光刻胶的保护下，在n 型和p 型台面上蒸镀Ti/Al/Ni/Au 形成加厚电极，采用剥离的方法去除光刻胶，这样就在器件上形成了p 电极和n 电极。图1 为表面粗化的LED 剖面图。

图1 表面粗化的LED 剖面图

Fig.1 Cross view of a surface-roughenedLED

2 原理与设计

当光线由一种介质进入另一种介质时，入射光一部分被折射，另一部分被反射。若光线由光密介质（折射率n1）射向光疏介质（折射率n2），当入射角θ1 大于全反射临界角θc 时，折射光线消失，光线全部被反射。θc=arcsin (n2/n1), n2 ＜ n1，若n2 与n1 的数值相差越大，则全反射临界角θc 越小，光线越容易发生全反射现象。由于半导体材料GaN 的折射率为2.4,如果与GaN 表面接触的物质折射率较小（如环氧树脂为n=1.5，空气n=1.0），则会导致芯片表面的全反射临界角较小。芯片发光区发出的光只有一部分能通过界面逸出，相当一部分的光因全反射而被返回到芯片内部，导致出光效率较低。表面粗化技术目的主要是将那些满足全反射定律的光改变方向，继而在另一表面或反射回原表面时不被全反射而透过界面，优化表面粗糙可使出光效率大大提高，如图2所示。

图2 未粗糙化和粗糙化光线出射对比

F i g . 2 L i g h t e m i t s f r o m g l a z e d o rroughened interface

3 实验结果与讨论

图3（a）为普通LED，其表面非常光滑，相当于镜面。图3（b）为粗化LED，LED 表面粗化后有许多六棱锥。图3 LED 表面形貌（a）普通LED，（b）粗化LEDFig.3 Surface of a LED sample(a) a common LED,(b) a roughened LED图4 是LED 芯片的I-V 曲线，从图中可以看出，在20mA 的注入电流下，粗化LED 芯片的正向电压低于普通LED 芯片的正向电压，另外，粗化LED 芯片相对于普通LED 芯片的I-V 曲线也更加陡峭，这意味着粗化LED 芯片的串联电阻更小。粗化LED 芯片由于增大了接触面积，改善了欧姆接触电阻，减小了串联电阻。

图4 LED 芯片的I-V 曲线Fig.4 I-V curses of LED图5 是具有相同波长的表面粗化和普通LED 芯片发光强度随注入电流的变化曲线，可以看出，随着注入电流的升高，芯片的发光强度都在增大，但两条曲线的斜率都在不断减小，这是因为，电流的持续注入导致LED 芯片的结温升高，使得内量子效率降低。在20mA 的注入电流下，表面粗化的LED 芯片的归一化强度大约0.26，但普通的LED 芯片大约只有0.21，P 层外延层的表面粗化工艺使LED 芯片的光提取效率提高了23%，由于采用相同的外延片，因此表面粗化的LED 芯片和普通的LED 芯片具有相同的内量子效率。从而，可以推断出，LED 芯片的表面粗化工艺提高了芯片的外量子效率。图5 表面粗化和普通LED 芯片的归__