圖案化基板如何提高LED光提取效率？

文章來(lái)源:恒光電器

發(fā)布時(shí)間:2015-03-28

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 圖案化基板，星級(jí)酒店照明燈具，簡(jiǎn)稱PSS(Patterned Sapphire Substrate)，技術(shù)資訊，俗稱圖形化襯底，也就是在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)干法刻蝕用掩膜，家用照明， LED置換工程，用標(biāo)準(zhǔn)的光刻工藝將掩膜刻出圖形，廠房照明，利用 ICP 刻蝕技術(shù)刻蝕藍(lán)寶石，并去掉掩膜，酒店led照明，再在其上生長(zhǎng) GaN 材料，使 GaN 材料的縱向外延變?yōu)闄M向外延，蝕刻(在藍(lán)寶石C面干式蝕刻/濕式蝕刻)的方式,在藍(lán)寶石基板上設(shè)計(jì)制作出微米級(jí)或納米級(jí)的具有微結(jié)構(gòu)特定規(guī)則的圖案,藉以控制 LED 之輸出光形式(藍(lán)寶石基板上的凹凸圖案會(huì)產(chǎn)生光散射或折射的效果增加光的出率),同時(shí) GaN 薄膜成長(zhǎng)于圖案化藍(lán)寶石基板上會(huì)產(chǎn)生橫向磊晶的效果,減少生長(zhǎng)在藍(lán)寶石基板上 GaN 之間的差排缺陷，改善磊晶質(zhì)量，并提升LED內(nèi)部量子效率、增加光萃取效率。與成長(zhǎng)于一般藍(lán)寶石基板的 LED 相比,PSS能使亮度增加70%以上 。

 

DonGGEUN KO，JAcobYOON，JANGHO SEO 描述了如何通過(guò)圖案化晶片來(lái)減少缺陷密度和全反射損失，從而提高 LED 光提取效率。

 

生產(chǎn)商們迅速采用以氮化物半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的 LED 作為標(biāo)準(zhǔn)光源，應(yīng)用在更多產(chǎn)品上，從普通照明，車前燈，交通照明到背景照明的消費(fèi)類電子產(chǎn)品，如 HDTVs，智能機(jī)，平板電腦以及大小顯示屏。LED 的性能和成本使 LED 技術(shù)得以廣泛應(yīng)用。實(shí)際上，低成本和高光效才能推動(dòng)消費(fèi)者市場(chǎng)的接受。LED 芯片生產(chǎn)商正在尋找圖案化藍(lán)寶石基板生產(chǎn)技術(shù)，最大化光提取效率，從而推廣 LED 的使用。

 

將圖案化應(yīng)用在 LED 基板或晶片上能從兩個(gè)方面提高光輸出。這種技術(shù)可以通過(guò)降低外延缺陷密度來(lái)提高活性量子阱層的光出射。而且，圖案化藍(lán)寶石基板能通過(guò)光子散射效應(yīng)來(lái)降低由于全反射引起的光損失。

 

研究人員在藍(lán)寶石基板表面設(shè)計(jì)了不同的形狀和尺寸的周期性變化結(jié)構(gòu)的圖案，包括圓錐，LED燈管，圓頂，金字塔，柱狀結(jié)構(gòu)等。這樣的藍(lán)寶石基板就稱為圖案化藍(lán)寶石基板。

 

行業(yè)內(nèi)目前有兩種方法來(lái)生產(chǎn)圖案化藍(lán)寶石基板：干法等離子蝕刻和濕法化學(xué)蝕刻，但絕大部分的圖案化藍(lán)寶石基板的生產(chǎn)都是使用干法等離子蝕刻技術(shù)。相比濕法化學(xué)刻蝕，干法等例子刻蝕的準(zhǔn)確性和統(tǒng)一性更容易控制。本文所討論的圖案化藍(lán)寶石基板制造將主要關(guān)注使用電感耦合等離子體干法反應(yīng)性腐蝕。

 

通過(guò)與多家世界上最先進(jìn)的 LED 生產(chǎn)商合作100-mm和150-mm的圖案化藍(lán)寶石基板，Rubicon 有機(jī)會(huì)了解到有效圖案化藍(lán)寶石基板的范圍要求。最關(guān)鍵的要求是圖案尺寸，形狀，縱橫比（如，圖案的長(zhǎng)寬比），晶片的均勻度以及晶片與晶片間的一致性。

 

因?yàn)?LED 行業(yè)的外延工藝的高定制化，我們無(wú)法得到圖案化藍(lán)寶石基板的最優(yōu)方案。 圖案的設(shè)計(jì)千變?nèi)f化，并且在未來(lái)圖案化藍(lán)寶石基板的設(shè)計(jì)也不會(huì)有趨同現(xiàn)象。典型的圖案形狀包括圓錐，圓頂，四方錐或者三方錐。即使學(xué)術(shù)研究表明，圖案尺寸（100-1000nm）越小，光效越好，但 LED 行業(yè)仍以3-4μm的圖案為主。

 

影響關(guān)鍵特性的工藝參數(shù)有尺寸的精準(zhǔn)性、光致抗蝕劑掩膜的統(tǒng)一性、藍(lán)寶石刻蝕對(duì)光致抗蝕劑掩膜的選擇性、射頻功率，電感耦合等離子體工藝壓力，射頻線圈設(shè)計(jì)等離子一致性、三氟甲烷和三氟化硼之比以及襯底溫度。

 

提高光提取率

 

低光提取率對(duì)于生產(chǎn)高亮度 LED 是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。圖案化的藍(lán)寶石襯底能使在全反射椎外的光子散射到全反射椎內(nèi)（如圖1a），進(jìn)而提高光提取效率。這樣的效果相當(dāng)于提高了光子溢出的臨界角（如圖1b）。研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)這一手段可以將光提取效率最高提高30%。

 

圖1: 圖案化藍(lán)寶石襯底散射光子（a）并且有效的擴(kuò)大逸逃錐（b），這樣可做多提高30%的光提取率。

 

光子通過(guò)電子空穴復(fù)合從活化量子阱層釋放出來(lái)，從而從 LED 芯片射向空間。

 

最理想的情況便是所有從活性量子阱釋放的光子全部被提取作為 LED 的光輸出，但事實(shí)上大部分的光子由于各種因素而無(wú)法從 LED 芯片中射出。

 

對(duì)于理想的光提取效率的一個(gè)關(guān)鍵阻礙就是由氮化鎵的高折射率與自由空間的折射率（大約是2.5:1）所導(dǎo)致的全反射。大量從活性層生成的光子被反射到芯片內(nèi)并且被禁錮在芯片內(nèi)而無(wú)法射出，最終以熱能被消耗。 只有那些被射入到由全反射臨界角所定義的光逸出椎內(nèi)的光子才能射出 LED 芯片，家用照明，在椎外的光子則被禁錮在 LED 芯片內(nèi)。

 

更有效的光轉(zhuǎn)換

 

從熱能，機(jī)械能和化學(xué)特性來(lái)看，藍(lán)寶石是非常不錯(cuò)的一個(gè)作為III/V氮化物外延生長(zhǎng)的襯底材料。但是藍(lán)寶石不僅僅與III/V氮化物有不同的晶體結(jié)構(gòu)，并且與氮化物有大約15%的晶格失配。因而氮化物外延層會(huì)自然產(chǎn)生大約在108-1010每平方厘米的失配位錯(cuò)（失配位錯(cuò)是用來(lái)表明晶體膜品質(zhì)退化程度的外延層的線性缺陷）。 這種缺陷一般通過(guò)在光學(xué)顯微鏡下蝕坑密度或者在X射線下的 FWHM 賴表征。

 

圖案化藍(lán)寶石襯底通過(guò)減少失配位錯(cuò)來(lái)提高氮化物的外延生長(zhǎng)，而這種失配位錯(cuò)的減少是由圖案化藍(lán)寶石襯底提高了側(cè)向增長(zhǎng)，即與襯底表面的平行增長(zhǎng)。失配位錯(cuò)一般通過(guò)傳統(tǒng)的平面藍(lán)寶石襯底或圖案化藍(lán)寶石

 

襯底在最初的外延生長(zhǎng)晶核階段發(fā)生。很多研究者用透射式電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)通過(guò)提高圖案化藍(lán)寶石襯底外延生長(zhǎng)的側(cè)向構(gòu)成可以減少失配位錯(cuò)。

 

因?yàn)殡娮雍涂昭ǎǖ膹?fù)合）在錯(cuò)位線發(fā)生非輻射復(fù)合，失配位錯(cuò)在活化層的減少是提高光轉(zhuǎn)換效率（也被稱為內(nèi)量子效率）的其中一個(gè)最重要的因素。一般的， led亮化工程，通過(guò)提高外延量子阱的質(zhì)量，圖案化藍(lán)寶石襯底可以提高大約30%的內(nèi)量子效率。當(dāng)然，圖案的尺寸、形狀、質(zhì)量以及與各種圖案設(shè)計(jì)相匹配的外延生長(zhǎng)性能的優(yōu)化都對(duì)圖案化藍(lán)寶石襯底對(duì)于提高內(nèi)量子效率有很大的影響。

 

有效的圖案化藍(lán)寶石沉底的設(shè)計(jì)

 

在圖案化藍(lán)寶石襯底的設(shè)計(jì)中，我們需要考慮兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)來(lái)優(yōu)化 LED 芯片的光輸出。第一種是如何最大化側(cè)邊生長(zhǎng)，從而更有效的抑制外延增長(zhǎng)中的失配位錯(cuò)；第二種是如何獲得最大化散射效應(yīng)來(lái)提高光提取。

 

圖2：圖案面積與總基板面積之比是通過(guò)陰影面積或者灰色面積與六邊形面積之比來(lái)計(jì)算的（a），并且縱橫比指的是圖案結(jié)構(gòu)的高與寬之比（b）。