激光技術(shù)在提高發(fā)光二極管光提取效率領(lǐng)域中的應(yīng)用.pdf

1、過(guò)去幾十年中，發(fā)光二極管(LightEmittingDiodes，LED)器件的研發(fā)取得了多項(xiàng)重大突破，內(nèi)量子效率已經(jīng)達(dá)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(shì)，因此業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為L(zhǎng)ED是新一代的照明以及顯示器件。但由于化合物半導(dǎo)體材料的折射率較高，因此量子阱中載流子復(fù)合所輻射的光子在向器件外部出射時(shí)受制于半導(dǎo)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(dǎo)體薄膜內(nèi)形成導(dǎo)模反復(fù)震蕩，最終被半導(dǎo)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(diǎn)。有鑒于此，器件形狀設(shè)計(jì)、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(fù)性好等特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用方面優(yōu)勢(shì)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(diǎn)。干法刻蝕技術(shù)對(duì)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(guò)程中會(huì)引入雜質(zhì)離子，產(chǎn)生雜質(zhì)能級(jí);濕法腐蝕受制于半導(dǎo)體的材料性質(zhì)與缺陷特征，大多數(shù)材料濕法腐蝕后無(wú)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(lǐng)域，為此領(lǐng)域提供了一種新的思路與方法。同時(shí)在加工過(guò)程中，化合物半導(dǎo)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(yīng)用價(jià)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(duì)GaN外延層面內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)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(yīng)應(yīng)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(lái)展望。主要研究?jī)?nèi)容包括:第二章:利用Ray-trac

5、ing仿真方法對(duì)不同結(jié)構(gòu)的GaN、AlGaInP四元LED芯片光提取規(guī)律進(jìn)行仿真分析并得到一定的結(jié)論輔助LED芯片的設(shè)計(jì)。利用仿真技術(shù)對(duì)光提取結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，為L(zhǎng)ED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(shí)，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(duì)以上兩種材料進(jìn)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(shí)際情況推

6、測(cè)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(jì)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(yīng)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(jì)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(lán)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(jì)算出粗化結(jié)構(gòu)分別安置于頂面、反射鏡時(shí)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(shí)將粗化結(jié)構(gòu)安置于反射鏡與出光面時(shí)，可以將光提取效率提高97％。
　　 7)利用ray-tracing仿真技術(shù)對(duì)換襯底結(jié)構(gòu)的AlGaInP四元紅光LED中GaP外延層的厚度進(jìn)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(duì)激光剝離前后的GaN外延薄膜面內(nèi)二軸應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)量與計(jì)算，

9、結(jié)果證明激光剝離過(guò)程可以顯著降低GaN外延薄膜的面內(nèi)二軸應(yīng)力。
　　 3第四章:搭建利用紫外激光與高速掃描振鏡對(duì)LED外延片進(jìn)行粗化加工的設(shè)備，并將此技術(shù)應(yīng)用于不同結(jié)構(gòu)的GaN以及AlGaInP四元LED芯片。對(duì)激光直寫技術(shù)粗化加工后的LED器件光、電參數(shù)進(jìn)行測(cè)量與分析。
　　 1)設(shè)計(jì)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(duì)LED外延片進(jìn)行直寫粗化加工的設(shè)備。
　　 2)在GaN以及GaP材料體系中對(duì)激

10、光輸出功率與粗化深度的關(guān)系進(jìn)行了探索。
　　 3)借助一維熱擴(kuò)散方程對(duì)激光加工過(guò)程中引入的高溫?fù)p傷進(jìn)行了評(píng)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(duì)量子阱的熱損傷也是較弱的。
　　 4)對(duì)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(jìn)行研究，閾值電壓有所升高的同時(shí)器件的串聯(lián)電阻有一定比例的下降，通過(guò)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(duì)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(jìn)行研究，最終通過(guò)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(duì)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(jìn)行研究，最終通過(guò)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(duì)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(jìn)行研究，最終通過(guò)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(guò)程中的應(yīng)用，并對(duì)激光輔助濕法粗化的LED芯片光、電性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試、分析。同時(shí)，對(duì)在激光輔助濕法粗化過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的激光波長(zhǎng)、偏振性對(duì)于粗化結(jié)構(gòu)形貌的調(diào)控現(xiàn)象進(jìn)行研究。
　　 1)設(shè)計(jì)搭建了利用激光器對(duì)LED外延片進(jìn)行激光輔助濕法粗化加工的設(shè)備。
　　 2)對(duì)[100]偏角GaP光

13、輔助濕法腐蝕的機(jī)制與相關(guān)腐蝕參數(shù)進(jìn)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(zhǎng)對(duì)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(zhǎng)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(jiǎn)要分析了此現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)制。
　　 4)利用405nm激光作為光源時(shí)，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(duì)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(jìn)行研究，通過(guò)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(duì)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(jìn)行研究，最優(yōu)的結(jié)果為亮度198.3mcd，開(kāi)啟電壓1.992V，光通量1.3481m，光功率5.919mW，光效32.11m/W，主波長(zhǎng)618nm，峰值波長(zhǎng)627.7nm。<

15、br>　　 第六章:研究局域等離激元對(duì)激光輔助濕法粗化過(guò)程的調(diào)控作用，并對(duì)調(diào)控的機(jī)制進(jìn)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(duì)其退火前、后的形貌進(jìn)行表征后得到濺射時(shí)間與Au納米顆粒直徑、覆蓋率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
　　 2)對(duì)所制備的GaP復(fù)合Au納米顆粒系統(tǒng)退火前、后的吸收光譜進(jìn)行研究。
　　 3)研究了Au納米顆粒在532nm激光輔助濕法腐蝕反應(yīng)中的作用，發(fā)

16、現(xiàn)Au納米顆粒可以加快此反應(yīng)的進(jìn)行。
　　 4)研究了Ag納米顆粒在450nm激光輔助濕法腐蝕反應(yīng)中的作用，發(fā)現(xiàn)Ag納米顆?？梢砸种拼朔磻?yīng)的進(jìn)行。
　　 5)借助GaP能帶結(jié)構(gòu)從等離激元引入的強(qiáng)局域電場(chǎng)角度對(duì)3、4兩點(diǎn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)制進(jìn)行了初步分析。
　　 綜上所述，我們首先利用ray-tracing仿真方法對(duì)實(shí)驗(yàn)前期的設(shè)計(jì)思路進(jìn)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(gè)領(lǐng)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了激光波長(zhǎng)以及激光偏振性可以對(duì)激光輔助濕法腐蝕形貌進(jìn)行調(diào)控的現(xiàn)象并對(duì)其進(jìn)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(dǎo)體的本征吸收特性以及激光器的輸出波長(zhǎng)三者的關(guān)聯(lián)與耦合，提出將局域耦合效應(yīng)應(yīng)用于激光輔助濕法腐蝕反應(yīng)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(jiàn)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(yīng)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(guò)程中發(fā)現(xiàn)激光波長(zhǎng)對(duì)腐蝕形貌具有調(diào)控作用;(4)在激光輔助濕法腐蝕過(guò)程中發(fā)現(xiàn)激光偏振性對(duì)腐蝕形貌具有調(diào)控作用;(5)在激光輔助濕法腐蝕過(guò)程中引入金屬/半導(dǎo)體納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以對(duì)腐蝕反應(yīng)的速率與腐蝕形貌進(jìn)行有效調(diào)控。
　　 目前我國(guó)

19、致力于增強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)于自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)空前重視。然而目前LED行業(yè)的核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)成果幾近為零，嚴(yán)重限制了我國(guó)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(chǔ)研究角度出發(fā)研究了激光干、濕法加工過(guò)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(duì)光輔助濕法腐蝕過(guò)程進(jìn)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(yīng)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，