微纳光学在LED芯片中应用研究的综述

引言

自1991 年GaN 蓝光LED 面世后，GaN 基LED近几年来发展迅速。目前，高效率GaN 基LED 已经被广泛地用于全彩显示屏、固态照明、液晶显示器背光源等方面。LED 以其寿命长、耗电小、环保、耐冲击、抗震等优点，LED 照明市场增长快速[1]。但是，由于在半导体和空气之间折射率的差异造成的全反射而导致LED 表面的光提取效率较低[2，3]，典型的GaN 半导体材料折射率为2. 5，由全反射定律得知，光线从半导体逸出到空气中全反射角的临界值为24°角[4]，故大于24°的光线都无法从半导体材料中逸出。因此，全反射在很大程度上影响了LED 的光提取效率。因此，如何减少全反射，改善LED 的光提取效率成为如今研究热点之一[5]。本文主要介绍了对LED 芯片表面或芯片内部的几种微结构的加工，它们都能够起到提高LED 出光效率的作用。

1 LED 表面微结构技术

传统的GaN 基LED 是利用化学气相沉积( MOCVD) 技术在560°C 左右的蓝宝石基底上分别沉积掺杂Si 的n 型GaN 材料和掺杂Mg 的p 型GaN材料，两种材料之间形成量子阱( MQW) 。在p 型GaN 材料上再镀上一层ITO 膜( 氧化铟锡) ，该金属氧化物透明导电膜作为透明电极，其作用是增强电极出光亮度以及隔离芯片中发射的对人类有害的电子辐射、紫外线及远红外线等[6]。LED 的基本结构如图1 所示。

清华大学的张贤鹏等人[8]采用基于Cl2 /Ar /

BCl3气体的感应耦合等离子体( ICP) 刻蚀技术制作了p-GaN 表面具有直径3μm、周期6μm 的微结构。该微结构将GaN 基蓝光LED 芯片的光荧光效果提高了42. 8%，并且在LED 器件注入电流为20mA 的情况下，将芯片正面出光效率提高了38%，背面出光效率提高了10. 6%。

加州大学的Schnitzer 等[7]对LED 芯片进行表面微结构处理的做法是利用自然光刻法将LED 芯片的出光表面做一个粗糙化处理，使得LED 芯片的出光表面变得粗糙不均匀，粗糙化后的芯片结构如图2 所示。如图3 所示，当光波传递到不均匀表面时，由于粗糙表面的光散射，这样，半导体内更多的光可以传播到空气中。粗糙化的LED 芯片其出光效率可以达到约16. 8%，而一般的环氧树脂封装LED 的光取出效率非常低，仅能达到4% 左右[1]。粗糙化后的LED 芯片结构在SEM 下扫描结果如图4 所示。

2 LED 芯片表面双层微结构技术

LED 芯片表面双层结构指的是在p 型GaN 半导体上出光表面和ITO 透明导电电极的上表面各加工上一层微结构。这种双层微结构的LED 芯片的出光效率较普通的LED 芯片提高了近40%。J. H. Kang 等人[11]设计的双层微结构LED 芯片的制作方法如图5 所示，先在LED 芯片的p 型GaN 半导体材料上表面沉积一层200nm 厚的ITO透明导电膜( 如图5( a) ) ，再用5% 的稀盐酸浸泡约30s，由于稀盐酸对ITO 膜的腐蚀作用，200nm 的ITO 薄膜将被腐蚀成直径约为200nm 的ITO 纳米导电球体( 如图5( b) ) ，此时，微小的ITO 纳米球作为后续蚀刻处理中的掩膜结构，通过电感耦合等离子蚀刻( ICP) 后，由于纳米球的保护作用，刻蚀后的芯片p 型GaN 材料的上表面形成纹理微结构( 如图5( c) ) ，最后在ITO 纳米导电球体表面再沉积上氧化铟锡材料，从结构上来说在LED 芯片的上表面形成一种双层的微结构[10]( 如图5( d) ) 。

该双层微结构的顶视图和截面图用SEM 扫描图如图6 所示，从顶视图上可以看出许多圆球形的ITO 纳米球无规则的附着在ITO 透明导电膜之上，图6 SEM 扫描得到的双层微结构LED芯片表面顶视图和截面图[10]形成第一层的微结构。从截面图上可以看出，p 型GaN 基材的表面也呈现不规则的凹凸不平整结构，形成第二层的微结构。

经双层微结构加工之后的LED 芯片出光效率较未加工的LED 芯片提高了许多，如图7 所示，加工微结构后的芯片正面输出光效率比未加工的芯片提高约70%，背面出光效率也比未加工的芯片提高约71. 5%。正面出光效率的增加是由于粗糙的表面导致出射光的散射效应，使得有更多的光朝着随机方向传播，有更多的光可以从上表面出射。而芯片背面的出光效率增强也是由于粗糙上表面对出射光的散射效应，使得由上表面反射至下表面的光也变得杂乱无规则，以此增强了下表面的出光效率[11]。

J. H. Kang 等人[11]通过对芯片进行双层微结构的加工，可以大幅度提升其光学性能，能够得到比较好的外量子效率。但是该技术也有其缺陷，由于加工过程中的沉积和蚀刻都有比较大的随机性。生产的重复性不好，并且由于对p 型GaN 半导体材料表面的粗糙化，难免会破坏LED 芯片中的p-GaN 层，影响了芯片的电学性能，由于微结构的加工，芯片的方阻会有所提升。

3 LED 芯片表面二维光子晶体结构的加工

光子晶体( Photonic Crystal) 即光子禁带材料，是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计及制造的晶体[12]。由于晶粒之间存在的周期性，光子晶体间会出现类似于半导体禁带结构的光子带隙( Photonic band gap) 。当电磁波在光子带隙中传播时，由于存在布拉格散射效应，故光子晶体具有调制相应波长电磁波的能力。1997 年，S. H. Fan 等人[13]首次研究了光子晶体对LED 自发辐射能量及空间分布的影响。光子晶体结构示意图如图8。

J. H. Kang 等人[11]通过对芯片进行双层微结构的加工，可以大幅度提升其光学性能，能够得到比较好的外量子效率。但是该技术也有其缺陷，由于加工过程中的沉积和蚀刻都有比较大的随机性。生产的重复性不好，并且由于对p 型GaN 半导体材料表面的粗糙化，难免会破坏LED 芯片中的p-GaN 层，影响了芯片的电学性能，由于微结构的加工，芯片的方阻会有所提升。

3 LED 芯片表面二维光子晶体结构的加工

光子晶体( Photonic Crystal) 即光子禁带材料，是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计及制造的晶体[12]。由于晶粒之间存在的周期性，光子晶体间会出现类似于半导体禁带结构的光子带隙( Photonic band gap) 。当电磁波在光子带隙中传播时，由于存在布拉格散射效应，故光子晶体具有调制相应波长电磁波的能力。1997 年，S. H. Fan 等人[13]首次研究了光子晶体对LED 自发辐射能量及空间分布的影响。光子晶体结构示意图如图8。

J. H. Kang 等人[11]通过对芯片进行双层微结构的加工，可以大幅度提升其光学性能，能够得到比较好的外量子效率。但是该技术也有其缺陷，由于加工过程中的沉积和蚀刻都有比较大的随机性。生产的重复性不好，并且由于对p 型GaN 半导体材料表面的粗糙化，难免会破坏LED 芯片中的p-GaN 层，影响了芯片的电学性能，由于微结构的加工，芯片的方阻会有所提升。

3 LED 芯片表面二维光子晶体结构的加工

光子晶体( Photonic Crystal) 即光子禁带材料，是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计及制造的晶体[12]。由于晶粒之间存在的周期性，光子晶体间会出现类似于半导体禁带结构的光子带隙( Photonic band gap) 。当电磁波在光子带隙中传播时，由于存在布拉格散射效应，故光子晶体具有调制相应波长电磁波的能力。1997 年，S. H. Fan 等人[13]首次研究了光子晶体对LED 自发辐射能量及空间分布的影响。光子晶体结构示意图如图8。

J. H. Kang 等人[11]通过对芯片进行双层微结构的加工，可以大幅度提升其光学性能，能够得到比较好的外量子效率。但是该技术也有其缺陷，由于加工过程中的沉积和蚀刻都有比较大的随机性。生产的重复性不好，并且由于对p 型GaN 半导体材料表面的粗糙化，难免会破坏LED 芯片中的p-GaN 层，影响了芯片的电学性能，由于微结构的加工，芯片的方阻会有所提升。

3 LED 芯片表面二维光子晶体结构的加工

光子晶体( Photonic Crystal) 即光子禁带材料，是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计及制造的晶体[12]。由于晶粒之间存在的周期性，光子晶体间会出现类似于半导体禁带结构的光子带隙( Photonic band gap) 。当电磁波在光子带隙中传播时，由于存在布拉格散射效应，故光子晶体具有调制相应波长电磁波的能力。1997 年，S. H. Fan 等人[13]首次研究了光子晶体对LED 自发辐射能量及空间分布的影响。光子晶体结构示意图如图8。

J. H. Kang 等人[11]通过对芯片进行双层微结构的加工，可以大幅度提升其光学性能，能够得到比较好的外量子效率。但是该技术也有其缺陷，由于加工过程中的沉积和蚀刻都有比较大的随机性。生产的重复性不好，并且由于对p 型GaN 半导体材料表面的粗糙化，难免会破坏LED 芯片中的p-GaN 层，影响了芯片的电学性能，由于微结构的加工，芯片的方阻会有所提升。中国照明网技术论文·LED照明

3 LED 芯片表面二维光子晶体结构的加工

光子晶体( Photonic Crystal) 即光子禁带材料，是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计及制造的晶体[12]。由于晶粒之间存在的周期性，光子晶体间会出现类似于半导体禁带结构的光子带隙( Photonic band gap) 。当电磁波在光子带隙中传播时，由于存在布拉格散射效应，故光子晶体具有调制相应波长电磁波的能力。1997 年，S. H. Fan 等人[13]首次研究了光子晶体对LED 自发辐射能量及空间分布的影响。光子晶体结构示意图如图8。

光子晶体具有三种特性: 能够利用光子带隙遮蔽光; 具有异向性，通过光子晶体的光会无规则的散射; 光子晶体曲线变化非常快，同波长有关。光子晶体可分为三类: 一维、二维、三维结构。一维的光子晶体只能在很小的角度范围内发出衍射光，不能衍射平面任意角度的入射光; 由于技术限制，制备符合规范的三维结构光子晶体目前还比较困难。而二维光子晶体可以衍射较大角度上的入射光，因此目前主要用二维的光子晶体来提高LED 的出光效率[14]。影响其出光效率的主要因素有光子晶体结构、晶粒高度、晶格常数等。

利用光子晶体结构提高LED 出光效率主要有两种原理[15， 16]。第一是利用了光子晶体的禁带效应原理，禁带效应原理主要表现在: 频率落在禁带范围内的光子被禁止传播，如果LED 芯片上集成了光子晶体结构，当LED 中导光模的频率落在光子晶体的禁带以内时，光波将被耦合成在自由空间中的辐射模式，在这种情况下，可以大幅增加光的提取效应。第二种是利用光子晶体的光栅衍射效应。光子晶体构成了一种类光栅的结构，当光束进入p 型GaN 的表层的出射光和周期与光波长相当的光栅结构发生作用时，光波就会被调制，一些本来难以出射的光束被耦合成出射光，如图9 所示，由于光栅衍射效应，原本因全反射被限制在p 型GaN 半导体材料中的光束可以出射到空间中，则可以提高LED 芯片的出光效率和控制光的空间分布。其中，Chia-HsinChao 等人[17]研制的定向光提取光子晶体氮化镓薄膜LED 输出功率较无光子晶体的氮化镓薄膜LED提高了多达77%，并且通过设计改善光子晶体的排布模式和晶格方向可以使LED 的出光限制在较小的范围之内。

目前主要的制造光子晶体结构的技术有纳米压印光刻( NIL) 、电子束光刻( EBL) 、激光全息光刻法( LHL) [18]，通过光子晶体结构的设计，减少了光在LED 芯片内的传播和消耗，实现了LED 外量子效率的提高。光子晶体LED 的发光效率最多可以提高140%。

4 LED 双光栅微结构技术

在LED 中引入光栅微纳光学结构的方法可以有效地增强LED 芯片的出光效率。其中，利用单光栅结构的LED 的光提取效率已有大幅提高，但由于一维光栅结构只能衍射单个方向上的光[19]，沿着光栅方向传播的光仍然被全反射效应限制，出光效率仍然受到较大限制。

清华大学实验室[20]设计了一种GaN 基的双光栅微纳结构，该结构如图10( a) 所示。其中第一个光栅G1加工在上表面的ITO 层上，第二个光栅G2刻蚀在GaN 层的下表面，两个光栅的刻线方向相互垂直，这样那些在G1处全反射的光线经G2的光栅衍射后，使其入射角小于出射临界角，再经过G1辐射出去。其原理如图10( b) 所示。因此，双光栅结构可以有效的提取因全反射而受限制的出射光。双光栅结构LED 可以提取出传统LED 中大部分因全反射而无法出射的受限光，根据研究者的软件评价结果可以表明，这种LED 的理论光提取效率可以达到48. 5%[20]，较传统LED 高了约6. 3 倍。

5 结论

作为第三代照明光源，发光二极管( LED) 的使用已经日益广泛，LED 发光效率的提高对于降低功耗、节约能源有着重大的意义。目前，GaN 基LED的内量子效率已经达到90%，但由于受全反射影响，普通LED 的外量子效率仅为5%。利用LED 芯片表面的微结构加工，可以大幅改善LED 的出光效率。但由于微纳结构加工的重复性不好以及加工过程中对半导体材料的电学特性有所影响，这些因素都会影响到LED 芯片的出光效率以及增加芯片能耗。因此，优化和改善微纳结构加工工艺以及将微结构加工与其他提高出光效率的技术相互结合，是未来的研究趋势。

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