表面粗化提高gan 基发光二极管光提取效率的研究

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1、表面粗化提高GaN基发光二极管光提取效率的研究冯异西安中为光电科技有限公司陕西西安7100657【文章】通过对GaN基发光二极管的表面进行粗化，可以改变出射光的方向，使那些满足全反射光改变方向后折射出来，从而提高了发光二极管的出光效率。实验结果表明，粗化芯片在20mA注入电流下，粗化芯片的光提取效率提高了23%，由于接触面积的增加，正向电压降低了0.11V。【关键词】GaN基发光二极管；表面粗化；光提取效率：TN312.8：AGaN基发光二极管由于具有体积小、寿命长、功耗低等优点，目前已经广泛应用于显示屏、景观照明、背光源等领域。芯片

2、光提取效率是由内量子效率和外量子效率共同决定，在内量子效率一定的前提下，提高外量子效率尤为重要。光提取效率是LED的一个重要参数,然而对于GaN基LED，由于全反射光子将会被反射回去，反射回来的光子，将无法逸出芯片。目前已经有很多方法用于提高光提取效率，包括表面粗化、倒金字塔结构、透明衬底技术、激光衬底剥离技术、倒装芯片、光子晶体、DBR、衬底设计。本文介绍了一种表面粗化的方法来提高GaN基发光二极管光提取效率，减小了光的全反射，从而提高外量子效率的目的。1实验在蓝宝石衬底上,用MOCVD生长的多个InGaN/GaN量子阱的发光二极管

3、的外延片。其结构从下到上分别为蓝宝石衬底、GaN缓冲层、n-GaN、MQARGIN:0cm0cm0pt;mso-layout-grid-align:none"class=MsoNormalalign=left>图1表面粗化的LED剖面图Fig.1Crossvie0cm0pt;mso-layout-grid-align:none"class=MsoNormalalign=left>2原理与设计当光线由一种介质进入另一种介质时，入射光一部分被折射，另一部分被反射。若光线由光密介质（折射率n1）射向光疏介质（折射率n2），当入射角θ1大于全

4、反射临界角θc时，折射光线消失，光线全部被反射。θc=arcsin(n2/n1),n2＜n1，若n2与n1的数值相差越大，则全反射临界角θc越小，光线越容易发生全反射现象。由于半导体材料GaN的折射率为2.4,如果与GaN表面接触的物质折射率较小（如环氧树脂为n=1.5，空气n=1.0），则会导致芯片表面的全反射临界角较小。芯片发光区发出的光只有一部分能通过界面逸出，相当一部分的光因全反射而被返回到芯片内部，导致出光效率较低。表面粗化技术目的主要是将那些满足全反射定律的光改变方向，继而在另一表面或反射回原表面时不被全反射而透过界面，优

5、化表面粗糙可使出光效率大大提高，如图2所示。图2未粗糙化和粗糙化光线出射对比Fig.2Lightemitsfromglazedorroughenedinterface3实验结果与讨论图3（a）为普通LED，其表面非常光滑，相当于镜面。图3（b）为粗化LED，LED表面粗化后有许多六棱锥。图3LED表面形貌（a）普通LED，（b）粗化LEDFig.3SurfaceofaLEDsample(a)amonLED,(b)aroughenedLED图4是LED芯片的I-V曲线，从图中可以看出，在20mA的注入电流下，粗化LED芯片的正向电压低于

6、普通LED芯片的正向电压，另外，粗化LED芯片相对于普通LED芯片的I-V曲线也更加陡峭，这意味着粗化LED芯片的串联电阻更小。粗化LED芯片由于增大了接触面积，改善了欧姆接触电阻，减小了串联电阻。图4LED芯片的I-V曲线Fig.4I-VcursesofLED图5是具有相同波长的表面粗化和普通LED芯片发光强度随注入电流的变化曲线，可以看出，随着注入电流的升高，芯片的发光强度都在增大，但两条曲线的斜率都在不断减小，这是因为，电流的持续注入导致LED芯片的结温升高，使得内量子效率降低。在20mA的注入电流下，表面粗化的LED芯片的归一

7、化强度大约0.26，但普通的LED芯片大约只有0.21，P层外延层的表面粗化工艺使LED芯片的光提取效率提高了23%，由于采用相同的外延片，因此表面粗化的LED芯片和普通的LED芯片具有相同的内量子效率。从而，可以推断出，LED芯片的表面粗化工艺提高了芯片的外量子效率。图5表面粗化和普通LED芯片的归__