圖案化基板如何提高LED光提取效率？

文章來源:恒光電器

發布時間:2015-03-28

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 圖案化基板，星級酒店照明燈具，簡稱PSS(Patterned Sapphire Substrate)，技術資訊，俗稱圖形化襯底，也就是在藍寶石襯底上生長干法刻蝕用掩膜，家用照明， LED置換工程，用標準的光刻工藝將掩膜刻出圖形，廠房照明，利用 ICP 刻蝕技術刻蝕藍寶石，并去掉掩膜，酒店led照明，再在其上生長 GaN 材料，使 GaN 材料的縱向外延變為橫向外延，蝕刻(在藍寶石C面干式蝕刻/濕式蝕刻)的方式,在藍寶石基板上設計制作出微米級或納米級的具有微結構特定規則的圖案,藉以控制 LED 之輸出光形式(藍寶石基板上的凹凸圖案會產生光散射或折射的效果增加光的出率),同時 GaN 薄膜成長于圖案化藍寶石基板上會產生橫向磊晶的效果,減少生長在藍寶石基板上 GaN 之間的差排缺陷，改善磊晶質量，并提升LED內部量子效率、增加光萃取效率。與成長于一般藍寶石基板的 LED 相比,PSS能使亮度增加70%以上 。

 

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

 

生產商們迅速采用以氮化物半導體為基礎的 LED 作為標準光源，應用在更多產品上，從普通照明，車前燈，交通照明到背景照明的消費類電子產品，如 HDTVs，智能機，平板電腦以及大小顯示屏。LED 的性能和成本使 LED 技術得以廣泛應用。實際上，低成本和高光效才能推動消費者市場的接受。LED 芯片生產商正在尋找圖案化藍寶石基板生產技術，最大化光提取效率，從而推廣 LED 的使用。

 

將圖案化應用在 LED 基板或晶片上能從兩個方面提高光輸出。這種技術可以通過降低外延缺陷密度來提高活性量子阱層的光出射。而且，圖案化藍寶石基板能通過光子散射效應來降低由于全反射引起的光損失。

 

研究人員在藍寶石基板表面設計了不同的形狀和尺寸的周期性變化結構的圖案，包括圓錐，LED燈管，圓頂，金字塔，柱狀結構等。這樣的藍寶石基板就稱為圖案化藍寶石基板。

 

行業內目前有兩種方法來生產圖案化藍寶石基板：干法等離子蝕刻和濕法化學蝕刻，但絕大部分的圖案化藍寶石基板的生產都是使用干法等離子蝕刻技術。相比濕法化學刻蝕，干法等例子刻蝕的準確性和統一性更容易控制。本文所討論的圖案化藍寶石基板制造將主要關注使用電感耦合等離子體干法反應性腐蝕。

 

通過與多家世界上最先進的 LED 生產商合作100-mm和150-mm的圖案化藍寶石基板，Rubicon 有機會了解到有效圖案化藍寶石基板的范圍要求。最關鍵的要求是圖案尺寸，形狀，縱橫比（如，圖案的長寬比），晶片的均勻度以及晶片與晶片間的一致性。

 

因為 LED 行業的外延工藝的高定制化，我們無法得到圖案化藍寶石基板的最優方案。 圖案的設計千變萬化，并且在未來圖案化藍寶石基板的設計也不會有趨同現象。典型的圖案形狀包括圓錐，圓頂，四方錐或者三方錐。即使學術研究表明，圖案尺寸（100-1000nm）越小，光效越好，但 LED 行業仍以3-4μm的圖案為主。

 

影響關鍵特性的工藝參數有尺寸的精準性、光致抗蝕劑掩膜的統一性、藍寶石刻蝕對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，射頻線圈設計等離子一致性、三氟甲烷和三氟化硼之比以及襯底溫度。

 

提高光提取率

 

低光提取率對于生產高亮度 LED 是一個很大的挑戰。圖案化的藍寶石襯底能使在全反射椎外的光子散射到全反射椎內（如圖1a），進而提高光提取效率。這樣的效果相當于提高了光子溢出的臨界角（如圖1b）。研究發現通過這一手段可以將光提取效率最高提高30%。

 

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

 

光子通過電子空穴復合從活化量子阱層釋放出來，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，但事實上大部分的光子由于各種因素而無法從 LED 芯片中射出。

 

對于理想的光提取效率的一個關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）所導致的全反射。大量從活性層生成的光子被反射到芯片內并且被禁錮在芯片內而無法射出，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。

 

更有效的光轉換

 

從熱能，機械能和化學特性來看，藍寶石是非常不錯的一個作為III/V氮化物外延生長的襯底材料。但是藍寶石不僅僅與III/V氮化物有不同的晶體結構，并且與氮化物有大約15%的晶格失配。因而氮化物外延層會自然產生大約在108-1010每平方厘米的失配位錯（失配位錯是用來表明晶體膜品質退化程度的外延層的線性缺陷）。 這種缺陷一般通過在光學顯微鏡下蝕坑密度或者在X射線下的 FWHM 賴表征。

 

圖案化藍寶石襯底通過減少失配位錯來提高氮化物的外延生長，而這種失配位錯的減少是由圖案化藍寶石襯底提高了側向增長，即與襯底表面的平行增長。失配位錯一般通過傳統的平面藍寶石襯底或圖案化藍寶石

 

襯底在最初的外延生長晶核階段發生。很多研究者用透射式電子顯微鏡發現通過提高圖案化藍寶石襯底外延生長的側向構成可以減少失配位錯。

 

因為電子和空穴（的復合）在錯位線發生非輻射復合，失配位錯在活化層的減少是提高光轉換效率（也被稱為內量子效率）的其中一個最重要的因素。一般的， led亮化工程，通過提高外延量子阱的質量，圖案化藍寶石襯底可以提高大約30%的內量子效率。當然，圖案的尺寸、形狀、質量以及與各種圖案設計相匹配的外延生長性能的優化都對圖案化藍寶石襯底對于提高內量子效率有很大的影響。

 

有效的圖案化藍寶石沉底的設計

 

在圖案化藍寶石襯底的設計中，我們需要考慮兩個關鍵點來優化 LED 芯片的光輸出。第一種是如何最大化側邊生長，從而更有效的抑制外延增長中的失配位錯；第二種是如何獲得最大化散射效應來提高光提取。

 

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