LED增透膜的應用
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上傳人：admin 上傳時間： 2007-05-22 瀏覽次數(shù)： 819 |
編者按：LED節(jié)能是一場持久戰(zhàn)，注重細節(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度？本文作者通過介紹LED增透膜的原理和工藝方法，結(jié)合事例說明應用LED增透膜不但能提高器件的取光效率，還起到方便測試外延片內(nèi)部光學參數(shù)和輔助外延生產(chǎn)監(jiān)測的作用。
LED增透膜的原理和設計
制約傳統(tǒng)LED取光效率的主要問題是出射角錐問題[1]（所謂eject cone），而在出射角錐內(nèi)，同樣因為LED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高，也是一個重要問題，這對某些定向發(fā)射的LED（如RCLED[2]）更為重要。半導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經(jīng)過光子循環(huán)部分出射。而樹脂封裝（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），其剩余反射率過高，尤其在樹脂封裝情況下不起到任何增透的作用。假設半導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)光學原理，增透介質(zhì)的折射率
。使用PECVD生長的SiN介質(zhì)折射率能夠接近該值，我們按n=2.1來計算，厚度按λ/4計算，垂直反射率小于1%。
。使用PECVD生長的SiN介質(zhì)折射率能夠接近該值，我們按n=2.1來計算，厚度按λ/4計算，垂直反射率小于1%。使用增透膜提高LED的效率
近期，我們對比了制作SiN單層增透膜樣品與無增透膜樣品的功率，增透膜對效率的提高作用明顯。我們的LED材料為850nm紅外RCLED材料，為近年來開發(fā)的，已經(jīng)開始有廣泛的應用。
表一、增透膜樣品與無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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無增透膜 |
8.08 |
1.76 | ||
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樹脂封裝 |
增透膜 |
14.34 |
3.13 |
6.2% |
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無增透膜 |
13.50 |
2.95 | ||
因為使用的是同一片外延片，在同一批金屬化工藝下制作，由表中可以看出增透膜對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LED表層材料的鈍化層來使用，在實踐中我們還發(fā)現(xiàn)增透膜有方便測試外延片內(nèi)部光學參數(shù)和輔助外延生產(chǎn)監(jiān)測的作用。
傳統(tǒng)MOCVD生長的紅黃光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反應室條件是變化的，生長速度也會漂移。DBR反射層的反射峰值位置經(jīng)常會漂移，最方便的檢測手段為光學反射率的測量。因為GaP材料與空氣的折射率差很大，表層的反射率很大，這會與DBR層的反射產(chǎn)生干涉，使測試曲線變得復雜。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
對于傳統(tǒng)紅黃光LED，這種厚度信息對DBR反射層信息的干擾也許可以忽略，但是對于RCLED影響卻相當大，以至于不能準確分析諧振腔的參數(shù)。一個實際RCLED結(jié)構(gòu)中包含被稱為電流擴展層的厚層，我們根本無法確定光學凹陷的位置，如圖2，RCLED全結(jié)構(gòu)的反射率曲線，兩個批次間隔20爐投片。
因為前面討論的生長速率的漂移問題，在生產(chǎn)中我們需要對RCLED的光學結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測，而反復生長校準結(jié)構(gòu)顯然提高了成本，不能作為一個監(jiān)測手段。我們可以在MOCVD生長出的RCLED全結(jié)構(gòu)上生長增透膜，消除表面反射，即同時消除了厚度干涉條紋對分析的影響。
1048#反射帶及光學凹陷(optical dip)明顯與量子阱的發(fā)射波長匹配（850nm），而1071#因為外延生長參數(shù)的漂移，明顯與設計結(jié)構(gòu)有較大的變動。使用兩批材料制作的器件（無增透膜器件），1071#比1048#的效率相差20% 以上（如圖3），這充分說明制作增透膜，能夠?qū)崿F(xiàn)RCLED外延片生產(chǎn)中的及時監(jiān)測。
圖2. 兩個批次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：
[1] 《固體照明導論》 A.茹考斯卡斯 等，黃世華 譯 化學工業(yè)出版社
[2] 940nm諧振腔發(fā)光二極管 劉英斌 趙潤等 《2003年全國MOCVD年會論文集》
作者簡介：
趙 潤：1975年生，1998年畢業(yè)于中國科學技術(shù)大學物理系，獲得學士學位?，F(xiàn)就職于中國電子科技集團公司第十三研究所，從事光電子材料和器件的研制工作。
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