傳統(tǒng)的GaN基LED是利用化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)在560？C左右的藍(lán)寶石基底上分別沉積摻雜Si的n型GaN材料和摻雜Mg的p型GaN材料，兩種材料之間形成量子阱(MQW)。在p型GaN材料上再鍍上一層ITO膜(氧化銦錫)，該金屬氧化物透明導(dǎo)電膜作為透明電極，其作用是增強(qiáng)電極出光亮度以及隔離芯片中發(fā)射的對(duì)人類有害的電子輻射、紫外線及遠(yuǎn)紅外線等。LED的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

清華大學(xué)的張賢鵬等人采用基于Cl2/Ar/BCl3氣體的感應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕技術(shù)制作了p-GaN表面具有直徑3μu03BCm、周期6μu03BCm的微結(jié)構(gòu)。該微結(jié)構(gòu)將GaN基藍(lán)光LED芯片的光熒光效果提高了42.8%%uFF0C并且在LED器件注入電流為20mA的情況下，將芯片正面出光效率提高了38%%uFF0C背面出光效率提高了10.6%%u3002。

加州大學(xué)的Schnitzer等對(duì)LED芯片進(jìn)行表面微結(jié)構(gòu)處理的做法是利用自然光刻法將LED芯片的出光表面做一個(gè)粗糙化處理，使得LED芯片的出光表面變得粗糙不均勻，粗糙化后的芯片結(jié)構(gòu)如圖2所示。如圖3所示，當(dāng)光波傳遞到不均勻表面時(shí)，由于粗糙表面的光散射，這樣，半導(dǎo)體內(nèi)更多的光可以傳播到空氣中。粗糙化的LED芯片其出光效率可以達(dá)到約16.8%%uFF0C而一般的環(huán)氧樹脂封裝LED的光取出效率非常低，僅能達(dá)到4%%u5DE6右。粗糙化后的LED芯片結(jié)構(gòu)在SEM下掃描結(jié)果如圖4所示。

該雙層微結(jié)構(gòu)的頂視圖和截面圖用SEM掃描圖如圖6所示，從頂視圖上可以看出許多圓球形的ITO納米球無(wú)規(guī)則的附著在ITO透明導(dǎo)電膜之上，圖6SEM掃描得到的雙層微結(jié)構(gòu)LED芯片表面頂視圖和截面圖形成第一層的微結(jié)構(gòu)。從截面圖上可以看出，p型GaN基材的表面也呈現(xiàn)不規(guī)則的凹凸不平整結(jié)構(gòu)，形成第二層的微結(jié)構(gòu)。

經(jīng)雙層微結(jié)構(gòu)加工之后的LED芯片出光效率較未加工的LED芯片提高了許多，如圖7所示，加工微結(jié)構(gòu)后的芯片正面輸出光效率比未加工的芯片提高約70%%uFF0C背面出光效率也比未加工的芯片提高約71.5%%u3002正面出光效率的增加是由于粗糙的表面導(dǎo)致出射光的散射效應(yīng)，使得有更多的光朝著隨機(jī)方向傳播，有更多的光可以從上表面出射。而芯片背面的出光效率增強(qiáng)也是由于粗糙上表面對(duì)出射光的散射效應(yīng)，使得由上表面反射至下表面的光也變得雜亂無(wú)規(guī)則，以此增強(qiáng)了下表面的出光效率。

J.H.Kang等人通過(guò)對(duì)芯片進(jìn)行雙層微結(jié)構(gòu)的加工，可以大幅度提升其光學(xué)性能，能夠得到比較好的外量子效率。但是該技術(shù)也有其缺陷，由于加工過(guò)程中的沉積和蝕刻都有比較大的隨機(jī)性。生產(chǎn)的重復(fù)性不好，并且由于對(duì)p型GaN半導(dǎo)體材料表面的粗糙化，難免會(huì)破壞LED芯片中的p-GaN層，影響了芯片的電學(xué)性能，由于微結(jié)構(gòu)的加工，芯片的方阻會(huì)有所提升。

光子晶體(PhotonicCrystal)即光子禁帶材料，是一類在光學(xué)尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工設(shè)計(jì)及制造的晶體。由于晶粒之間存在的周期性，光子晶體間會(huì)出現(xiàn)類似于半導(dǎo)體禁帶結(jié)構(gòu)的光子帶隙(Photonicbandgap)。當(dāng)電磁波在光子帶隙中傳播時(shí)，由于存在布拉格散射效應(yīng)，故光子晶體具有調(diào)制相應(yīng)波長(zhǎng)電磁波的能力。1997年，S.H.Fan等人首次研究了光子晶體對(duì)LED自發(fā)輻射能量及空間分布的影響。光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖如圖8。

 

光子晶體具有三種特性：能夠利用光子帶隙遮蔽光；具有異向性，通過(guò)光子晶體的光會(huì)無(wú)規(guī)則的散射；光子晶體曲線變化非?？?，同波長(zhǎng)有關(guān)。光子晶體可分為三類：一維、二維、三維結(jié)構(gòu)。一維的光子晶體只能在很小的角度范圍內(nèi)發(fā)出衍射光，不能衍射平面任意角度的入射光；由于技術(shù)限制，制備符合規(guī)范的三維結(jié)構(gòu)光子晶體目前還比較困難。而二維光子晶體可以衍射較大角度上的入射光，因此目前主要用二維的光子晶體來(lái)提高LED的出光效率。影響其出光效率的主要因素有光子晶體結(jié)構(gòu)、晶粒高度、晶格常數(shù)等。

利用光子晶體結(jié)構(gòu)提高LED出光效率主要有兩種原理]。第一是利用了光子晶體的禁帶效應(yīng)原理，禁帶效應(yīng)原理主要表現(xiàn)在：頻率落在禁帶范圍內(nèi)的光子被禁止傳播，如果LED芯片上集成了光子晶體結(jié)構(gòu)，當(dāng)LED中導(dǎo)光模的頻率落在光子晶體的禁帶以內(nèi)時(shí)，光波將被耦合成在自由空間中的輻射模式，在這種情況下，可以大幅增加光的提取效應(yīng)。第二種是利用光子晶體的光柵衍射效應(yīng)。光子晶體構(gòu)成了一種類光柵的結(jié)構(gòu)，當(dāng)光束進(jìn)入p型GaN的表層的出射光和周期與光波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)墓鈻沤Y(jié)構(gòu)發(fā)生作用時(shí)，光波就會(huì)被調(diào)制，一些本來(lái)難以出射的光束被耦合成出射光，如圖9所示，由于光柵衍射效應(yīng)，原本因全反射被限制在p型GaN半導(dǎo)體材料中的光束可以出射到空間中，則可以提高LED芯片的出光效率和控制光的空間分布。其中，Chia-HsinChao等人研制的定向光提取光子晶體氮化鎵薄膜LED輸出功率較無(wú)光子晶體的氮化鎵薄膜LED提高了多達(dá)77%%uFF0C并且通過(guò)設(shè)計(jì)改善光子晶體的排布模式和晶格方向可以使LED的出光限制在較小的范圍之內(nèi)。
 

 

目前主要的制造光子晶體結(jié)構(gòu)的技術(shù)有納米壓印光刻(NIL)、電子束光刻(EBL)、激光全息光刻法(LHL)，通過(guò)光子晶體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，減少了光在LED芯片內(nèi)的傳播和消耗，實(shí)現(xiàn)了LED外量子效率的提高。光子晶體LED的發(fā)光效率最多可以提高140%%u3002。

在LED中引入光柵微納光學(xué)結(jié)構(gòu)的方法可以有效地增強(qiáng)LED芯片的出光效率。其中，利用單光柵結(jié)構(gòu)的LED的光提取效率已有大幅提高，但由于一維光柵結(jié)構(gòu)只能衍射單個(gè)方向上的光，沿著光柵方向傳播的光仍然被全反射效應(yīng)限制，出光效率仍然受到較大限制。

清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種GaN基的雙光柵微納結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)如圖10(a)所示。其中第一個(gè)光柵G1加工在上表面的ITO層上，第二個(gè)光柵G2刻蝕在GaN層的下表面，兩個(gè)光柵的刻線方向相互垂直，這樣那些在G1處全反射的光線經(jīng)G2的光柵衍射后，使其入射角小于出射臨界角，再經(jīng)過(guò)G1輻射出去。其原理如圖10(b)所示。因此，雙光柵結(jié)構(gòu)可以有效的提取因全反射而受限制的出射光。雙光柵結(jié)構(gòu)LED可以提取出傳統(tǒng)LED中大部分因全反射而無(wú)法出射的受限光，根據(jù)研究者的軟件評(píng)價(jià)結(jié)果可以表明，這種LED的理論光提取效率可以達(dá)到48.5%，較傳統(tǒng)LED高了約6.3倍。
 

 

結(jié)語(yǔ)：發(fā)光二極管的使用在照明光源的市場(chǎng)上應(yīng)用廣泛。節(jié)約能源、降低功耗的方法就是提高LED發(fā)光效率。將LED芯片表面的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工，能夠有效提高LED出光效率。但是，加工過(guò)程中對(duì)半導(dǎo)體材料的電學(xué)特性的影響以及微納結(jié)構(gòu)加工的重復(fù)性不好，能夠嚴(yán)重影響LED芯片的出光效率。由此可見(jiàn)，整合微結(jié)構(gòu)加工和提高出光效率的相關(guān)技術(shù)，是LED照明市場(chǎng)的必然趨勢(shì)。

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