使用金字塔反射镜增强出光效率的GaInN发光二极管

作者： J.-Q. Xi, Hong Luo, Alyssa J. Pasquale, Jong Kyu Kim, and E. Fred Schubert

来源： IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 18, NO. 22, NOVEMBER 15, 2006

 摘要 ：

　　GaInN 发光二极管（ LEDs ）在使用了一个包含三维（ 3-D ）金字塔型 SiO2 阵列和 Ag 层的反射镜后，相对于使用平面 Ag 反射镜的 GaInN LEDs ，光的提取效率提高了。射线跟踪模拟显示金字塔型反射镜使得器件的光提取效率提高了 14.1% 。实验结果显示具有金字塔反射镜的 GaInN LEDs 在光的输出方面，相对于传统平面 Ag 反射镜器件，提高了 13.9% 。与模拟结果相一致。

１介绍

　　III–V 氮化物 在短波可见光谱和近紫外光谱部分具有非常高的内量子效率。然而，对 III–V 氮化物发光二极管的出光效率的提高还有很大的需要。很多方法也都被采用过，希望提高器件的出光效率，包括芯片外形技术 [1] 、芯片倒装 [2] 、 LED 上表面粗化 [3] 、光子晶体 [4] 和增加高反射率的反射镜 [5-8] 。

　　在提高 LEDs 出光效率时需要面对的一个重要的问题就是内部全反射 (TIR) 。被内反射回来的光反复的在半导体 / 外部介质界面处或被平面反射镜中间传播。由于晶面损失和活性区的再吸收，导致出光效率降低。

２器件结构和光学模拟

　　在本文的工作中，采用了一个新型的 3 维结构 (3-D) 的反射镜，即包含金字塔型 SiO2 阵列和 Ag 层的反射镜，该反射镜的使用，提高了 GaInN LEDs 的出光效率。出光效率的增强被认为是光被金字塔反射镜反射后改变了传播方向，增加了出光。

　　传统的具有平面反射镜的 GaInN LEDs 光学模型和光的轨迹如图 1(a) 所示。传统 LED 的出射锥（ the escape cone ）如 cone 1 所示，由 Snell 定律计算可知，出射锥的大小范围在 在出射锥范围内的光，例如 ray 1 ，可以出射到自由空间。然后，在 cone 1 外的光，例如 ray 2 ，因为全反射的原因，被限制在器件内部。

图 1. 光线在（ a ）传统 Ag 平面发射镜的 GaInN LED 器件和（ b ）金字塔型反射镜的 GaInN LED 器件中的追踪模拟

　　图 1 （ b ）是使用了金字塔反射镜的 LEDs 示意图，其中 。 Cone 1 仍然是金字塔结构反射镜的出射锥，此外， cone 2 的锥角还有个锥角范围 ，在 中的光经过多次反射，可以进入 中，最后出射到自由空间，例如 ray 2 。通过 Snell 定律计算， 。因此，因此金字塔型反射镜可以提高器件的出光效率。

　　对使用传统反射镜和使用金字塔反射镜的 LEDs 器件也进行了光线轨迹的追踪模拟。在模拟中，金字塔基长度 ，两个金字塔距离 。 GaInN LEDs 器件芯片大小为 ，厚度为 100μm 。模拟使用的光线波长 ：=1.47 ， =2.5 ， =1.79 ， =0.173 分别是 SiO2 、 GaN 、 sapphire 和 Ag 的折射系数。 = 150cm -1 是 GaN 的吸收系数。 k Ag =1.95 是 Ag 的消光系数。为了得到最大的出光效率，不同的倾斜角度 被模拟，模拟的结果如表 1 所示。模拟结果显示，金字塔反射镜有效的提高了 LEDs 的出光效率，总的出光效率提高了 14.1% 。

表 1. 使用不同金字塔反射镜斜面角度对 GaInN LEDs 器件出光效率的模拟结果，当 =0° 时，相当于使用的是 Ag 平面反射镜。 (NA= not applicable)

3 器件制备

　　为了验证我们新概念的效果，具有金字塔反射镜的，发出的光的波长在 400μm 的 GaInN LED 被制备。 GaInN LED 器件通过 MOCVD 生长在 c 面宝石衬底上，结构包括一个 3μm 的 n 型 GaN 缓冲层，一个 n 型 GaN 下包覆层，一个 GaInN-GaN 多量子井活性区，一个 p 型 GaN 上包覆层。 LED 的台面结构通过标准的平板印刷图形的方式获得，然后通过使用 Cl 2 和 Ar 的化学离子束刻蚀，暴露出 n 型 GaN 包覆层。一个 1.4μm 厚的 SiO 2 层通过等离子体增强化学气相沉积方法沉积到晶片上。 P 型台面上的 SiO2 金字塔阵列在印刷之后，通过缓冲层氧化刻蚀剂（ buffered oxide etchant ，简写为 BOE ）刻蚀 13 分钟。 BOE 开始刻蚀没有被光刻胶覆盖的 SiO 2 区域，如图 2 （ a ）所示。这个过程不断的在垂直方向和水平方向同时进行，最后在 p 型 GaN 台面上刻蚀出

25° 的金字塔型 SiO 2 阵列。金字塔结构顶部的扫描电镜照片如图 2 （ b ）所示。在同一次刻蚀中，金字塔斜面角度变化在 5°之内。在同一个样品中，所有的金字塔的倾斜角度没有明显的不同。每个 SiO 2 金字塔基长度 。两个金字塔的距离 ，金字塔的高度维 0.8μm 。金字塔制备完以后， 2nm 的 NiZn （ Zn 的 wt% 为 10% ）和 600nm 的 Ag 被沉积到制备了金字塔结构的 p 型 GaN 台面上，在氧气气氛下， 500 ℃ 退火 1 分钟，形成欧姆接触。最后在器件上制备 n 型 Ti-Al-Ni-Au 电极，完成器件制备。器件结构示意图如图 2 （ c ）所示。作为对比，具有图 2 （ d ）结构，使用 Ag 平面反射镜的 LED 器件结构被制备。

图 2. （ a ）化学湿法刻蚀制备金字塔结构（ b ） SiO2 金字塔结构顶部的扫描电镜照片（ c ）具有金字塔反射镜结构的 GaInN LED （ d ）具有平面 Ag 反射镜的 GaInN LED

4 器件特性

　　LED 器件背面的电致发光强度通过大面积（ 10× 10mm 2 ） Si 光电探测器测量，所加偏压为 -5.0V 。器件的光输出 - 电流特性曲线如图 3 所示。具有金字塔反射镜的 GaInN LEDs 器件的光输出功率明显的高于使用传统平面 Ag 反射镜的 GaInN LEDs 器件的输出功率。当注入电流维 20mA 时，光输出功率提高 13.9% 。这个提高与模拟的结果 14.1% 基本一致。我们认为效率的提高主要是金字塔型反射镜提高了出光效率的结果。图 3 中也显示了 GaInN LEDs 器件的电流 - 电压特性曲线。当正向电压为 20mA 时，使用金字塔反射镜的 LED 的电压为 3.77V ，而使用平面 Ag 反射镜的 LED 的电压为 3.52V 。当减小金字塔反射镜和 p 型 GaN 的接触面积的时候，可以获得更高的电压。这预示着通过增加器件所加的正向电压和优化金字塔反射镜的大小和间距，使用金字塔型反射镜的 GaInN LEDs 器件的出光效率还可以进一步提高。

图 3. 分别具有金字塔型反射镜和平面 Ag 反射镜的 GaInN LED 的光输出功率 - 注入电流关系曲线和电压 - 电流关系曲线

5 结论

　　包含金字塔型 SiO 2 阵列和 Ag 层结构反射镜的 GaInN LEDs ，相对于使用 Ag 平面反射镜的 GaInN LEDs 器件的出光效率，可以提高 13.9% 。光线追踪模拟显示，金字塔反射镜可以提高 GaInN LEDs 器件 14.1% 的出光效率。这和我们的实验结果相一致。这个结果被认为是由于 3-D 结构的反射镜，通过改变光的传播方向，使得更多的光进入到出射锥中，增加了出光效率。

参考文献

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