LED增透膜的應(yīng)用
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上傳人：admin 上傳時(shí)間： 2007-05-22 瀏覽次數(shù)： 819 |
編者按：LED節(jié)能是一場(chǎng)持久戰(zhàn)，注重細(xì)節(jié)也就增加打勝戰(zhàn)的砝碼。如何減小LED內(nèi)表面的反射率，從而增大出射光的強(qiáng)度？本文作者通過(guò)介紹LED增透膜的原理和工藝方法，結(jié)合事例說(shuō)明應(yīng)用LED增透膜不但能提高器件的取光效率，還起到方便測(cè)試外延片內(nèi)部光學(xué)參數(shù)和輔助外延生產(chǎn)監(jiān)測(cè)的作用。
LED增透膜的原理和設(shè)計(jì)
制約傳統(tǒng)LED取光效率的主要問(wèn)題是出射角錐問(wèn)題[1]（所謂eject cone），而在出射角錐內(nèi)，同樣因?yàn)長(zhǎng)ED的高折射率材料與空氣或封裝材料的不匹配造成的反射率過(guò)高，也是一個(gè)重要問(wèn)題，這對(duì)某些定向發(fā)射的LED（如RCLED[2]）更為重要。半導(dǎo)體與空氣界面的光反射率約為1/3，是比較大的損耗，雖然反射回去的光還會(huì)經(jīng)過(guò)光子循環(huán)部分出射。而樹(shù)脂封裝（折射率1.5）情況下，反射率約為16%，也是比較大的損失。為此需要在材料表面具有增透效果的介質(zhì)層。介質(zhì)層的折射率和厚度都有優(yōu)選值。
考慮到工藝的可控性和實(shí)效性，我們一般選擇高折射率的單層膜作為增透膜。如果選擇低折射率的膜系（如二氧化硅），其剩余反射率過(guò)高，尤其在樹(shù)脂封裝情況下不起到任何增透的作用。假設(shè)半導(dǎo)體材料的折射率約為3.5(GaP或AlGaAs)，而封裝材料的折射率約為1.5，根據(jù)光學(xué)原理，增透介質(zhì)的折射率
。使用PECVD生長(zhǎng)的SiN介質(zhì)折射率能夠接近該值，我們按n=2.1來(lái)計(jì)算，厚度按λ/4計(jì)算，垂直反射率小于1%。
。使用PECVD生長(zhǎng)的SiN介質(zhì)折射率能夠接近該值，我們按n=2.1來(lái)計(jì)算，厚度按λ/4計(jì)算，垂直反射率小于1%。使用增透膜提高LED的效率
近期，我們對(duì)比了制作SiN單層增透膜樣品與無(wú)增透膜樣品的功率，增透膜對(duì)效率的提高作用明顯。我們的LED材料為850nm紅外RCLED材料，為近年來(lái)開(kāi)發(fā)的，已經(jīng)開(kāi)始有廣泛的應(yīng)用。
表一、增透膜樣品與無(wú)增透膜樣品功率的比較
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（每種樣品數(shù)各10只） |
功率平均讀數(shù) |
平均功率/mW |
功率提高 | |
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裸管芯 |
增透膜 |
8.99 |
1.96 |
11.2% |
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無(wú)增透膜 |
8.08 |
1.76 | ||
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樹(shù)脂封裝 |
增透膜 |
14.34 |
3.13 |
6.2% |
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無(wú)增透膜 |
13.50 |
2.95 | ||
因?yàn)槭褂玫氖峭黄庋悠谕慌饘倩に囅轮谱?，由表中可以看出增透膜?duì)器件取光效率的提高作用巨大。
LED增透膜的其他作用
我們知道，良好工藝控制的介質(zhì)膜可以作為L(zhǎng)ED表層材料的鈍化層來(lái)使用，在實(shí)踐中我們還發(fā)現(xiàn)增透膜有方便測(cè)試外延片內(nèi)部光學(xué)參數(shù)和輔助外延生產(chǎn)監(jiān)測(cè)的作用。
傳統(tǒng)MOCVD生長(zhǎng)的紅黃光LED的外延結(jié)構(gòu)中布拉格反射層（DBR Reflector）是很重要的部分。生產(chǎn)中MOCVD反應(yīng)室條件是變化的，生長(zhǎng)速度也會(huì)漂移。DBR反射層的反射峰值位置經(jīng)常會(huì)漂移，最方便的檢測(cè)手段為光學(xué)反射率的測(cè)量。因?yàn)镚aP材料與空氣的折射率差很大，表層的反射率很大，這會(huì)與DBR層的反射產(chǎn)生干涉，使測(cè)試曲線變得復(fù)雜。如圖1，紅光LED全結(jié)構(gòu)的反射率曲線，DBR的信息變得不是很清晰——附加了DBR層上面外延層的厚度信息。
圖1紅光LED全結(jié)構(gòu)的反射率曲線
對(duì)于傳統(tǒng)紅黃光LED，這種厚度信息對(duì)DBR反射層信息的干擾也許可以忽略，但是對(duì)于RCLED影響卻相當(dāng)大，以至于不能準(zhǔn)確分析諧振腔的參數(shù)。一個(gè)實(shí)際RCLED結(jié)構(gòu)中包含被稱(chēng)為電流擴(kuò)展層的厚層，我們根本無(wú)法確定光學(xué)凹陷的位置，如圖2，RCLED全結(jié)構(gòu)的反射率曲線，兩個(gè)批次間隔20爐投片。
因?yàn)榍懊嬗懻摰纳L(zhǎng)速率的漂移問(wèn)題，在生產(chǎn)中我們需要對(duì)RCLED的光學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而反復(fù)生長(zhǎng)校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)顯然提高了成本，不能作為一個(gè)監(jiān)測(cè)手段。我們可以在MOCVD生長(zhǎng)出的RCLED全結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)增透膜，消除表面反射，即同時(shí)消除了厚度干涉條紋對(duì)分析的影響。
1048#反射帶及光學(xué)凹陷(optical dip)明顯與量子阱的發(fā)射波長(zhǎng)匹配（850nm），而1071#因?yàn)橥庋由L(zhǎng)參數(shù)的漂移，明顯與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有較大的變動(dòng)。使用兩批材料制作的器件（無(wú)增透膜器件），1071#比1048#的效率相差20% 以上（如圖3），這充分說(shuō)明制作增透膜，能夠?qū)崿F(xiàn)RCLED外延片生產(chǎn)中的及時(shí)監(jiān)測(cè)。
圖2. 兩個(gè)批次RCLED全結(jié)構(gòu)的反射率曲線圖 3.制作增透膜后兩批RCLED外延片的反射率曲線的比較
參考文獻(xiàn)：
[1] 《固體照明導(dǎo)論》 A.茹考斯卡斯 等，黃世華 譯 化學(xué)工業(yè)出版社
[2] 940nm諧振腔發(fā)光二極管 劉英斌 趙潤(rùn)等 《2003年全國(guó)MOCVD年會(huì)論文集》
作者簡(jiǎn)介：
趙 潤(rùn)：1975年生，1998年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系，獲得學(xué)士學(xué)位?，F(xiàn)就職于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，從事光電子材料和器件的研制工作。
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