激光技術(shù)在提高發(fā)光二極管光提取效率領域中的應用.pdf

1、過去幾十年中，發(fā)光二極管(LightEmittingDiodes，LED)器件的研發(fā)取得了多項重大突破，內(nèi)量子效率已經(jīng)達到較高的水平。由于LED發(fā)光器件具有體積小、電光轉(zhuǎn)換效率高、固態(tài)封裝耐沖擊等優(yōu)勢，因此業(yè)內(nèi)普遍認為LED是新一代的照明以及顯示器件。但由于化合物半導體材料的折射率較高，因此量子阱中載流子復合所輻射的光子在向器件外部出射時受制于半導體與外部媒介界面的全反射，只有約1/4n2的光可以出射到器件外部(GaN:n=2.5@46

2、0nm，ηext=4％;GaP:n=3.3@650nm，ηext=2.5％)，其余光線在半導體薄膜內(nèi)形成導模反復震蕩，最終被半導體材料吸收耗散。因此，如何提高LED的光提取效率成為研究熱點。有鑒于此，器件形狀設計、表面粗化、光子晶體、圖形襯底等技術(shù)被相繼提出。在這些方法中，表面粗化由于具備加工面積大、生產(chǎn)成本低、光提取效率高、可控性高、重復性好等特點，在實際應用方面優(yōu)勢明顯。
　　 目前LED的表面粗化手段主要有干法刻蝕與濕法腐

3、蝕兩種，各有其優(yōu)缺點。干法刻蝕技術(shù)對材料的要求較低，是一種普適的粗化方法，但這種方法在刻蝕過程中會引入雜質(zhì)離子，產(chǎn)生雜質(zhì)能級;濕法腐蝕受制于半導體的材料性質(zhì)與缺陷特征，大多數(shù)材料濕法腐蝕后無法得到高效的粗化結(jié)構(gòu)。
　　 激光加工技術(shù)成本較低，并且可控性高，適宜大面積樣品的加工制備。本論文將激光加工技術(shù)引入LED光提取圖形制備領域，為此領域提供了一種新的思路與方法。同時在加工過程中，化合物半導體材料與光相互作用所變現(xiàn)出的一些新現(xiàn)象

4、也具有一定的理論意義與應用價值。
　　 本論文正文部分共有七章，依次為第一章緒論，第二章利用Ray-tracing仿真方法研究LED光提取效率，第三章利用激光表征技術(shù)對GaN外延層面內(nèi)應力狀態(tài)進行研究，第四章利用激光直寫技術(shù)提高LED光提取效率，第五章利用激光輔助粗化技術(shù)提高AlGaInP四元LED的光提取效率，第六章局域耦合效應應用于激光輔助腐蝕技術(shù)的探索以及第七章結(jié)論與未來展望。主要研究內(nèi)容包括:第二章:利用Ray-trac

5、ing仿真方法對不同結(jié)構(gòu)的GaN、AlGaInP四元LED芯片光提取規(guī)律進行仿真分析并得到一定的結(jié)論輔助LED芯片的設計。利用仿真技術(shù)對光提取結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，為LED芯片表面粗化結(jié)構(gòu)的調(diào)控提供建議。
　　 1)利用ray-tracing仿真技術(shù)系統(tǒng)分析了GaN材料、GaP材料作為粗化結(jié)構(gòu)媒介時，錐狀粗化結(jié)構(gòu)的光提取效率與其頂角大小之間的聯(lián)系。在分別對以上兩種材料進行了考慮吸收與不考慮吸收兩種條件的仿真之后，結(jié)合芯片結(jié)構(gòu)的實際情況推

6、測GaN錐狀粗化結(jié)構(gòu)的最佳光提取頂角位于28°附近，GaP錐狀粗化結(jié)構(gòu)的最佳光提取頂角位于19°附近。
　　 2)利用ray-tracing仿真技術(shù)計算出同面電極結(jié)構(gòu)、垂直電極結(jié)構(gòu)GaN基LED芯片以及傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)、換襯底結(jié)構(gòu)AlGaInP四元紅光LED芯片的光提取圖形。
　　 3)利用ray-tracing仿真技術(shù)得到的結(jié)果表明，應用Ag反射鏡與Au反射鏡LED芯片的光提取效率分別為16％與10％，Ag反射鏡效果更佳。

7、r>　　 4)利用ray-tracing仿真技術(shù)計算出同面電極GaN基LED與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)AlGaInP紅光LED光提取效率與芯片尺寸的關(guān)系。
　　 5)Ray-tracing仿真結(jié)果顯示藍寶石襯底同面電極GaN基LED芯片的光提取效率比碳化硅襯底同面電極GaN基LED芯片高51％。
　　 6)以GaN基LED為例利用ray-tracing仿真技術(shù)計算出粗化結(jié)構(gòu)分別安置于頂面、反射鏡時的光提取效率。仿真結(jié)果顯示，出光面粗化

8、可以將LED的光提取效率提高86％，反射鏡粗化可以提高光提取效率94％。如果同時將粗化結(jié)構(gòu)安置于反射鏡與出光面時，可以將光提取效率提高97％。
　　 7)利用ray-tracing仿真技術(shù)對換襯底結(jié)構(gòu)的AlGaInP四元紅光LED中GaP外延層的厚度進行優(yōu)化，結(jié)合成本考量厚度最優(yōu)值為8μm左右。
　　 第三章:利用X射線衍射、拉曼光譜以及光致發(fā)光光譜三種手段對激光剝離前后的GaN外延薄膜面內(nèi)二軸應力狀態(tài)進行了測量與計算，

9、結(jié)果證明激光剝離過程可以顯著降低GaN外延薄膜的面內(nèi)二軸應力。
　　 3第四章:搭建利用紫外激光與高速掃描振鏡對LED外延片進行粗化加工的設備，并將此技術(shù)應用于不同結(jié)構(gòu)的GaN以及AlGaInP四元LED芯片。對激光直寫技術(shù)粗化加工后的LED器件光、電參數(shù)進行測量與分析。
　　 1)設計搭建了利用全固態(tài)納秒脈沖激光器搭配高速掃描振鏡對LED外延片進行直寫粗化加工的設備。
　　 2)在GaN以及GaP材料體系中對激

10、光輸出功率與粗化深度的關(guān)系進行了探索。
　　 3)借助一維熱擴散方程對激光加工過程中引入的高溫損傷進行了評估，結(jié)果證明即使在加工區(qū)域與多量子阱有源發(fā)光區(qū)距離最近的同面電極結(jié)構(gòu)GaN基LED中，其對量子阱的熱損傷也是較弱的。
　　 4)對激光直寫粗化的同面電極結(jié)構(gòu)GaN基LED芯片的光、電性能進行研究，閾值電壓有所升高的同時器件的串聯(lián)電阻有一定比例的下降，通過角分辨電致發(fā)光光譜在180°范圍內(nèi)得到了35％的光提取效率提高。

11、
　　 5)對激光直寫粗化的垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED芯片的光提取效率進行研究，最終通過角分辨電致發(fā)光光譜在180°范圍內(nèi)得到了58％的光提取效率提高。
　　 6)對激光直寫粗化的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)AlGaInP四元LED芯片的光提取效率進行研究，最終通過角分辨電致發(fā)光光譜在180°范圍內(nèi)得到了53％的光提取效率提高。
　　 7)對激光直寫粗化的換襯底結(jié)構(gòu)AlGaInP四元LED芯片的光提取效率進行研究，最終通過角分辨電致發(fā)光

12、光譜在180°范圍內(nèi)得到了52％的光提取效率提高。
　　 第五章:研究激光輔助濕法粗化技術(shù)在AlGaInP四元LED芯片GaP窗口層表面粗化過程中的應用，并對激光輔助濕法粗化的LED芯片光、電性質(zhì)進行測試、分析。同時，對在激光輔助濕法粗化過程中發(fā)現(xiàn)的激光波長、偏振性對于粗化結(jié)構(gòu)形貌的調(diào)控現(xiàn)象進行研究。
　　 1)設計搭建了利用激光器對LED外延片進行激光輔助濕法粗化加工的設備。
　　 2)對[100]偏角GaP光

13、輔助濕法腐蝕的機制與相關(guān)腐蝕參數(shù)進行了分析研究，并得到了光提取效率較高的粗化結(jié)構(gòu)。
　　 3)研究了激光波長對于[100]偏角GaP激光輔助濕法腐蝕形貌的調(diào)控作用，利用不同波長的激光作為光源輔助腐蝕得到了不同形貌的腐蝕結(jié)構(gòu)，并簡要分析了此現(xiàn)象的內(nèi)在機制。
　　 4)利用405nm激光作為光源時，研究了激光電矢量震蕩方向?qū)τ诟g形貌的調(diào)控作用，成功利用電矢量震蕩方向互相垂直的激光加工出形貌有差異的腐蝕圖形。
　　

14、5)對532nm激光輔助濕法粗化的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)AlGaInP四元LED芯片的光、電性能進行研究，通過角分辨電致發(fā)光光譜在180°范圍內(nèi)得到了66％的光提取效率提高。
　　 6)對532nm激光輔助濕法粗化的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)AlGaInP四元LED芯片封裝后的光、電性能進行研究，最優(yōu)的結(jié)果為亮度198.3mcd，開啟電壓1.992V，光通量1.3481m，光功率5.919mW，光效32.11m/W，主波長618nm，峰值波長627.7nm。<

15、br>　　 第六章:研究局域等離激元對激光輔助濕法粗化過程的調(diào)控作用，并對調(diào)控的機制進行討論、分析。
　　 1)利用濺射與退火的方法在GaP表面制備了不同直徑與覆蓋率的Au納米顆粒，對其退火前、后的形貌進行表征后得到濺射時間與Au納米顆粒直徑、覆蓋率的對應關(guān)系。
　　 2)對所制備的GaP復合Au納米顆粒系統(tǒng)退火前、后的吸收光譜進行研究。
　　 3)研究了Au納米顆粒在532nm激光輔助濕法腐蝕反應中的作用，發(fā)

16、現(xiàn)Au納米顆?？梢约涌齑朔磻倪M行。
　　 4)研究了Ag納米顆粒在450nm激光輔助濕法腐蝕反應中的作用，發(fā)現(xiàn)Ag納米顆?？梢砸种拼朔磻倪M行。
　　 5)借助GaP能帶結(jié)構(gòu)從等離激元引入的強局域電場角度對3、4兩點實驗現(xiàn)象的內(nèi)在機制進行了初步分析。
　　 綜上所述，我們首先利用ray-tracing仿真方法對實驗前期的設計思路進行優(yōu)化篩選，然后提出激光直寫LED表面粗化技術(shù)以及激光輔助LED濕法粗化技術(shù)，分別

17、從干法與濕法兩個領域?qū)⒓す庖隠ED的工藝制程之中并獲得了優(yōu)異的光提取效率與光電參數(shù)。在實驗過程中，發(fā)現(xiàn)了激光波長以及激光偏振性可以對激光輔助濕法腐蝕形貌進行調(diào)控的現(xiàn)象并對其進行了系統(tǒng)的探索。最后，利用局域等離激元的吸收特性、GaP半導體的本征吸收特性以及激光器的輸出波長三者的關(guān)聯(lián)與耦合，提出將局域耦合效應應用于激光輔助濕法腐蝕反應中，發(fā)現(xiàn)了不同的調(diào)控結(jié)果。
　　 本文的創(chuàng)新之處在于:(1)提出激光直寫LED表面粗化技術(shù)，并利用

18、此技術(shù)在常見材料體系與結(jié)構(gòu)的LED芯片中得到了可觀的光提取效率;(2)首次將激光輔助濕法粗化技術(shù)應用于[100]偏角GaP窗口層，制備出錐狀結(jié)構(gòu)陣列并獲得了66％的光提取效率提升;(3)在激光輔助濕法腐蝕過程中發(fā)現(xiàn)激光波長對腐蝕形貌具有調(diào)控作用;(4)在激光輔助濕法腐蝕過程中發(fā)現(xiàn)激光偏振性對腐蝕形貌具有調(diào)控作用;(5)在激光輔助濕法腐蝕過程中引入金屬/半導體納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以對腐蝕反應的速率與腐蝕形貌進行有效調(diào)控。
　　 目前我國

19、致力于增強核心競爭力，對于自主知識產(chǎn)權(quán)空前重視。然而目前LED行業(yè)的核心知識產(chǎn)權(quán)成果幾近為零，嚴重限制了我國LED企業(yè)的發(fā)展與壯大。本研究從激光與物質(zhì)相互作用基礎研究角度出發(fā)研究了激光干、濕法加工過程中的一系列新現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)激光的偏振模式以及引入的LSP震蕩可以對光輔助濕法腐蝕過程進行有效的調(diào)控。以LED器件的光提取作為新技術(shù)、新現(xiàn)象的應用出口，提出了激光直寫粗化技術(shù)與激光輔助濕法腐蝕技術(shù)兩種易于與現(xiàn)有LED工藝制程相集成的表面粗化方法，