張連俊 ,劉 剛, 張 萌

(1.山東理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東淄博 255049； 2.伊利諾伊大學(xué) 電子與計(jì)算機(jī)工程系，伊利諾伊 厄本那-香檳 61801)

發(fā)光二極管(LED)體積小、效率高，正逐漸成為傳統(tǒng)光源的替代品。氮化鎵半導(dǎo)體內(nèi)存在帶隙，波長可以很容易地通過添加銦(轉(zhuǎn)移到更長的波長)或鋁(轉(zhuǎn)移到更短的波長)從綠光區(qū)域轉(zhuǎn)到藍(lán)光區(qū)域[1]?；诘锏腖ED為全彩色LED顯示屏和高效率的白光光源提供了新機(jī)遇，將可以取代白熾燈光源。 發(fā)光二極管的性能主要有兩個優(yōu)點(diǎn)，即活動區(qū)的內(nèi)部量子效率(IQE)和光提取效率高[2]。 低內(nèi)量子效率的結(jié)果是受GaN薄膜生長在異質(zhì)基底上高線程位錯(TD)密度的影響，TD為金屬材料形成注入活性層的電子擴(kuò)散通路[3]。 由于基體定位較弱，在縮短發(fā)射波長時，光發(fā)射效率對TD的非放射性復(fù)合中心更敏感。 為了提高發(fā)光二極管的性能，需要設(shè)計(jì)合適結(jié)構(gòu)來提高光的提取效率。 本文從氣相GaN界面和GaN基板界面上的常規(guī)表面晶體刻蝕技術(shù)，以及對光子晶體本身結(jié)構(gòu)方面，分析提高光提取效率的技術(shù)[4]，構(gòu)建LED光的傳播和發(fā)射模型，以提高光提取效率。

1 常規(guī)表面晶格結(jié)構(gòu)提高光提取效率

傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)光提取效率的方法包括材料表面晶格結(jié)構(gòu)和薄膜GaN襯底的改善。 對于表面晶格結(jié)構(gòu)的利用，可以明顯提高光提取效率。 關(guān)鍵是提高了光子發(fā)射幾率，光子晶體(PhC)在一定意義上來說就是衍射光柵，只要其光柵常數(shù)為光波長量級甚至是亞波長量級。光入射進(jìn)入光子晶體材料，表現(xiàn)出光的波動性質(zhì)。 當(dāng)光波長與介質(zhì)周期相當(dāng)?shù)墓鈻沤Y(jié)構(gòu)發(fā)生作用時，光波受到調(diào)制，從而使光落在出射光錐內(nèi)，被耦合為出射光，從而提高了LED的提取效率。 除了周期性的光子晶體結(jié)構(gòu)，其它使用外延橫向過度增長(在n-GaN層)也可減少TD。 嵌入式介質(zhì)掩模和圖形化藍(lán)寶石晶體襯底(PSS)，這些方法將提高薄膜質(zhì)量，從而提高內(nèi)部量子效率。 此外對于不同折射率的基底材料，如SiO2和有傾斜角的PSS也有效地增加光散射和反射，提高光的提取效率。

均質(zhì)薄膜GaN襯底的幾何結(jié)構(gòu)可以達(dá)到50%或更高的外部提取效率。但是這種隨機(jī)的晶格結(jié)構(gòu)表面幾乎無法控制表面光線輻射出LED，從而產(chǎn)生朗伯輻射模式，使得GaN基發(fā)光二極管的提取效率由于在空氣—器件界面上發(fā)生反射而保持較低。 因?yàn)楣獗焕г诎雽?dǎo)體內(nèi)部，最終會被基體或光子活動性區(qū)域中的缺陷和復(fù)合中心吸收[3]。 只有部分光能從發(fā)射錐的半導(dǎo)體和空氣的界面中輻射出來。發(fā)射錐由臨界角定義，表示為

θc=sin-1nair/nGaN≈23.6°

(1)

式中：nair和nGaN分別是空氣折射率和GaN材料折射率(光波長0.44 μm時為2.5)。 液相沉積 (LPD) 的氧化鋅棒發(fā)射錐體對LED表面的影響具有室溫沉積、大氣生長和低成本的作用[5]。 其關(guān)鍵是能夠增加逃逸角范圍(43.9°～53.2°)。較大的逃逸角范圍使得光從氧化鋅側(cè)壁發(fā)射出來，可提高GaN 的光發(fā)射效率。

2 表面圖形化光子晶體改善光提取效率

近年來，光子晶體結(jié)構(gòu)被用于三氮化物發(fā)光二極管表面，提高了光的提取效率。 光子晶體可抑制自發(fā)發(fā)射譜[5]，用于制作衍射光柵，通過賽爾效應(yīng)提高內(nèi)部量子效率，從而提升內(nèi)部光提取效率。光柵結(jié)構(gòu)對光提取效率影響如圖1所示。

圖1 光輸出功率與電流特性Fig.1 Light outputpower and current characteristics

從圖1可以看出，深蝕刻和淺蝕刻光柵光子晶體(PhC)都提高了光的提取效率。 雖然深蝕刻光子晶體的內(nèi)部量子效率較低，但光輸出仍然高于淺蝕刻和平面表面的LED。 深蝕刻使得晶體中光子穿透多量子阱，在光子帶隙附近進(jìn)行調(diào)諧，抑制光發(fā)射進(jìn)入制導(dǎo)模式，從而提高提取效率。

2.1 衍射光柵表面的光子晶體

衍射光柵表面的光子晶體發(fā)射光子時，允許自發(fā)的發(fā)射制導(dǎo)模式，但這種模式具有耦合的衍射性質(zhì)[6]。由周期性模式產(chǎn)生的額外的布洛克動量使光線與漏態(tài)形成耦合。 它不僅可以提高光的提取效率，而且可以控制輻射模式。 在這種方法中，衍射光柵的晶格常數(shù)比帶隙大，其原因是光子晶體在高布拉格序附近運(yùn)行，而不是在第一布拉格階上運(yùn)行。

由于每個引導(dǎo)模式在GaN中以不同的角度傳播，并且與光子晶體的相互作用不同，因此很難提取出所有的模式[7]。導(dǎo)模中的每個模態(tài)平面波向量表示為

k||m=(2π/λ)nGaNsin(θm)=

(2)

式中：m為模數(shù)；L為GaN的厚度；θm為GaN內(nèi)的傳播角。光波向量耦合到其它諧波模式的相互晶格向量G,兩者關(guān)系為

|k||m+G|<2π/λ

(3)

K和G的關(guān)系如圖2所示。

為了將導(dǎo)光衍射到空氣中，需要滿足必要的條件。 衍射條件強(qiáng)烈地依賴光波長、晶格常數(shù)。由于GaN的多模性質(zhì)，應(yīng)考慮漏模與光子晶體的耦合。 高階模態(tài)通常比低階模衍射更好，因?yàn)樗鼈兣c光子晶體有較好的重疊。 另一種更好耦合的方法是將光子晶體結(jié)構(gòu)嵌入到LED器件的中間[8]。利用700 nm厚的GaN和晶格常數(shù)250 nm規(guī)格的光子晶體，實(shí)驗(yàn)顯示提高了光提取效率。與粗糙表面薄膜LED相比，該光子晶體LED的提取效率高達(dá)65%～78%。

圖2 光子晶體LED結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)模模態(tài)Fig.2 Guided modes in the LED structure with photonic crystals

2.2 圖形化藍(lán)寶石襯底光子晶體

最常用的圖案藍(lán)寶石襯底有周期金字塔陣列。 通過數(shù)值分析金字塔傾斜角對4面金字塔結(jié)構(gòu)的光提取效率的影響[9]。 30°傾斜角的結(jié)構(gòu)是提高光提取效率的最佳角度，如圖3所示。

圖3 金字塔傾斜角對光提取效率的影響Fig.3 Effect of the LEE angle of the slanted surface in an inversed pyramid structure on light extraiction efficiency

實(shí)驗(yàn)研究表明調(diào)整傾斜角到31.6°將產(chǎn)生更好的性能[10]。 31.6°角的圖形化藍(lán)寶石襯底產(chǎn)生了66% IQE和20 mA電流下20 mW光輸出。 其原因是光提取效率的提高，特別是在晶體質(zhì)量上的差異是由側(cè)向生長區(qū)c平面區(qū)域決定的，小傾斜角會有小的c平面面積。 用X射線衍射和蝕刻坑密度表征了位錯密度。實(shí)驗(yàn)制作錐形PSS來提高提取效率[11]，如圖4所示。 晶格常數(shù)設(shè)計(jì)為3 μm，錐徑為2.5 μm。蝕刻深度和側(cè)壁角約為700 nm和29°。與常規(guī)LED相比，光輸出功率有35%的增強(qiáng)，原因是光從藍(lán)寶石基底反射到頂方向，減少了線程位錯。

圖4 PSS藍(lán)寶石表面31.6°傾角的圖像Fig.4 AFM images of 31.6° tilt view of sapphire surface with PSS

還可在PSS上使用沉積二氧化硅球體，以較低的制造成本實(shí)現(xiàn)薄膜的異質(zhì)外延生長(MOCVD)方法，使GaN膜的位錯減小[12]。 硅球直徑從300～550 nm變化，表面覆蓋率15%～70%。結(jié)果表明，較高的覆蓋范圍和較大的球體尺寸會得到更好的效果。除了錐體形狀和球體模式外，不規(guī)則納米陣列的PSS在提高外部量子效率方面也有效[13]。在二氧化硅納米棒之間的空隙上出現(xiàn)了許多堆積斷層，在鄰近中很少觀察到可見的線程位錯，這進(jìn)一步減少藍(lán)寶石表面的位錯形成。

前面分析了許多結(jié)構(gòu)可以提高光提取效率，包括表面和嵌入光子晶體，嵌入的介電薄膜屏蔽和圖形化藍(lán)寶石襯底等。但GaN中的低階模導(dǎo)光與光子晶體弱相互作用，使得光子晶體不能有效地提取出大部分光。 為了提取所有導(dǎo)光模式，使用嵌入氣隙光子晶體是更好的選擇。 由于大量的螺紋位錯，GaN薄膜的質(zhì)量較差，內(nèi)量子效率會降低，需要利用氣隙光子晶體獲得高光提取效率，同時提高 GaN薄膜質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)高的內(nèi)部量子效率。

3 PSS嵌入氣隙光子晶體的LED

為提高光提取效率，采用將氣隙光子晶體嵌入介電薄膜屏蔽和圖形化藍(lán)寶石襯底等方式。 對于光子晶體，GaN中的低階模導(dǎo)光與表面光子晶體弱相互作用，而表面光子晶體不能有效地提取出這一大部分光。 為了提取所有導(dǎo)光模式，嵌入光子晶體的更好的是空隙光子晶體，可提供較高的效率，因?yàn)榭諝庹凵渎适?，這樣的椎體與GaN界面的折射率差別最大。由于氣隙光子晶體不具備外延側(cè)向生長的功能，如果采用嵌入介質(zhì)掩模，可形成空氣間隙后的再生長而被嵌入，螺紋位錯繼續(xù)在氣隙光子晶上生長。 而在緩沖GaN層中，可形成較少的位錯。根據(jù)以上理論分析，本文設(shè)計(jì)一種新型PSS嵌入氣隙光子晶體的LED。首先通過熱壓光刻，在藍(lán)寶石襯底上獲得光子晶體模式的GaN模板，如圖5(a)所示；然后采用標(biāo)準(zhǔn)光刻法制備厚100 nm的二氧化硅藍(lán)寶石襯底，采用濕蝕刻法獲得傾斜角約30°的錐體，形成錯位較少的氮化鎵緩沖層，再利用納米級蝕刻制備出GaN模板，采用MOCVD[11]法過度生長GaN，如圖5(b)所示；最后在優(yōu)化的生長條件下，在(0001)平面過度生長產(chǎn)生氣隙結(jié)構(gòu)，如圖5(c)所示。制備出具有嵌入氣隙光子晶體的GaN基LED。

與其它設(shè)計(jì)相比，該設(shè)計(jì)所得到的器件結(jié)構(gòu)具有極少數(shù)的位錯，同時利用氣隙光子晶體的優(yōu)點(diǎn)提取出大多數(shù)制導(dǎo)模式。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該光子晶體LED的光提取效率高達(dá)75%～83%。這種結(jié)構(gòu)中，內(nèi)部量子效率和光提取效率都得到改善，外部量子效率也急劇提高。

(a)熱壓光刻光子晶體 (b) MOCVD法生長晶體 (c)氣隙光子晶體圖5 嵌入氣隙光子晶體LED的制備過程Fig.5 Fabrication process of air-gap photonics crystal LED

4 結(jié)束語

嵌入氣隙光子晶體作為衍射光柵，能有效地提取GaN材料的導(dǎo)模。嵌入式介質(zhì)掩模通過外延橫向生長提高GaN薄膜質(zhì)量，并將反射光散射回頂面，可以提高光提取效率。介電掩模的大小既可以是微米尺寸的，也可是納米尺寸的，而總屏蔽面積很重要。圖形化藍(lán)寶石襯底還可以降低螺紋位錯密度，提供更好的薄膜質(zhì)量，并能夠有效地將光反射回頂面。錐體光子晶體的傾斜角和襯底的密度是決定其強(qiáng)度和光提取效率的關(guān)鍵因素。

本文利用表面刻蝕、圖形化襯底和表面嵌入光子晶體來提高光提取效率。光子晶體通過優(yōu)化的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，可使得GaN基藍(lán)色LED的成本降低、性能提高，滿足了未來對全彩色顯示和節(jié)能照明的日益增長的需求。