图案化基板如何提高LED光提取效率？

文章来源:恒光电器

发布时间:2015-03-28

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 图案化基板，星级酒店照明灯具，简称PSS(Patterned Sapphire Substrate)，技术资讯，俗称图形化衬底，也就是在蓝宝石衬底上生长干法刻蚀用掩膜，家用照明， LED置换工程，用标准的光刻工艺将掩膜刻出图形，厂房照明，利用 ICP 刻蚀技术刻蚀蓝宝石，并去掉掩膜，酒店led照明，再在其上生长 GaN 材料，使 GaN 材料的纵向外延变为横向外延，蚀刻(在蓝宝石C面干式蚀刻/湿式蚀刻)的方式,在蓝宝石基板上设计制作出微米级或纳米级的具有微结构特定规则的图案,藉以控制 LED 之输出光形式(蓝宝石基板上的凹凸图案会产生光散射或折射的效果增加光的出率),同时 GaN 薄膜成长于图案化蓝宝石基板上会产生横向磊晶的效果,减少生长在蓝宝石基板上 GaN 之间的差排缺陷，改善磊晶质量，并提升LED内部量子效率、增加光萃取效率。与成长于一般蓝宝石基板的 LED 相比,PSS能使亮度增加70%以上 。

 

DonGGEUN KO，JAcobYOON，JANGHO SEO 描述了如何通过图案化晶片来减少缺陷密度和全反射损失，从而提高 LED 光提取效率。

 

生产商们迅速采用以氮化物半导体为基础的 LED 作为标准光源，应用在更多产品上，从普通照明，车前灯，交通照明到背景照明的消费类电子产品，如 HDTVs，智能机，平板电脑以及大小显示屏。LED 的性能和成本使 LED 技术得以广泛应用。实际上，低成本和高光效才能推动消费者市场的接受。LED 芯片生产商正在寻找图案化蓝宝石基板生产技术，最大化光提取效率，从而推广 LED 的使用。

 

将图案化应用在 LED 基板或晶片上能从两个方面提高光输出。这种技术可以通过降低外延缺陷密度来提高活性量子阱层的光出射。而且，图案化蓝宝石基板能通过光子散射效应来降低由于全反射引起的光损失。

 

研究人员在蓝宝石基板表面设计了不同的形状和尺寸的周期性变化结构的图案，包括圆锥，LED灯管，圆顶，金字塔，柱状结构等。这样的蓝宝石基板就称为图案化蓝宝石基板。

 

行业内目前有两种方法来生产图案化蓝宝石基板：干法等离子蚀刻和湿法化学蚀刻，但绝大部分的图案化蓝宝石基板的生产都是使用干法等离子蚀刻技术。相比湿法化学刻蚀，干法等例子刻蚀的准确性和统一性更容易控制。本文所讨论的图案化蓝宝石基板制造将主要关注使用电感耦合等离子体干法反应性腐蚀。

 

通过与多家世界上最先进的 LED 生产商合作100-mm和150-mm的图案化蓝宝石基板，Rubicon 有机会了解到有效图案化蓝宝石基板的范围要求。最关键的要求是图案尺寸，形状，纵横比（如，图案的长宽比），晶片的均匀度以及晶片与晶片间的一致性。

 

因为 LED 行业的外延工艺的高定制化，我们无法得到图案化蓝宝石基板的最优方案。 图案的设计千变万化，并且在未来图案化蓝宝石基板的设计也不会有趋同现象。典型的图案形状包括圆锥，圆顶，四方锥或者三方锥。即使学术研究表明，图案尺寸（100-1000nm）越小，光效越好，但 LED 行业仍以3-4μm的图案为主。

 

影响关键特性的工艺参数有尺寸的精准性、光致抗蚀剂掩膜的统一性、蓝宝石刻蚀对光致抗蚀剂掩膜的选择性、射频功率，电感耦合等离子体工艺压力，射频线圈设计等离子一致性、三氟甲烷和三氟化硼之比以及衬底温度。

 

提高光提取率

 

低光提取率对于生产高亮度 LED 是一个很大的挑战。图案化的蓝宝石衬底能使在全反射椎外的光子散射到全反射椎内（如图1a），进而提高光提取效率。这样的效果相当于提高了光子溢出的临界角（如图1b）。研究发现通过这一手段可以将光提取效率最高提高30%。

 

图1: 图案化蓝宝石衬底散射光子（a）并且有效的扩大逸逃锥（b），这样可做多提高30%的光提取率。

 

光子通过电子空穴复合从活化量子阱层释放出来，从而从 LED 芯片射向空间。

 

最理想的情况便是所有从活性量子阱释放的光子全部被提取作为 LED 的光输出，但事实上大部分的光子由于各种因素而无法从 LED 芯片中射出。

 

对于理想的光提取效率的一个关键阻碍就是由氮化镓的高折射率与自由空间的折射率（大约是2.5:1）所导致的全反射。大量从活性层生成的光子被反射到芯片内并且被禁锢在芯片内而无法射出，最终以热能被消耗。 只有那些被射入到由全反射临界角所定义的光逸出椎内的光子才能射出 LED 芯片，家用照明，在椎外的光子则被禁锢在 LED 芯片内。

 

更有效的光转换

 

从热能，机械能和化学特性来看，蓝宝石是非常不错的一个作为III/V氮化物外延生长的衬底材料。但是蓝宝石不仅仅与III/V氮化物有不同的晶体结构，并且与氮化物有大约15%的晶格失配。因而氮化物外延层会自然产生大约在108-1010每平方厘米的失配位错（失配位错是用来表明晶体膜品质退化程度的外延层的线性缺陷）。 这种缺陷一般通过在光学显微镜下蚀坑密度或者在X射线下的 FWHM 赖表征。

 

图案化蓝宝石衬底通过减少失配位错来提高氮化物的外延生长，而这种失配位错的减少是由图案化蓝宝石衬底提高了侧向增长，即与衬底表面的平行增长。失配位错一般通过传统的平面蓝宝石衬底或图案化蓝宝石

 

衬底在最初的外延生长晶核阶段发生。很多研究者用透射式电子显微镜发现通过提高图案化蓝宝石衬底外延生长的侧向构成可以减少失配位错。

 

因为电子和空穴（的复合）在错位线发生非辐射复合，失配位错在活化层的减少是提高光转换效率（也被称为内量子效率）的其中一个最重要的因素。一般的， led亮化工程，通过提高外延量子阱的质量，图案化蓝宝石衬底可以提高大约30%的内量子效率。当然，图案的尺寸、形状、质量以及与各种图案设计相匹配的外延生长性能的优化都对图案化蓝宝石衬底对于提高内量子效率有很大的影响。

 

有效的图案化蓝宝石沉底的设计

 

在图案化蓝宝石衬底的设计中，我们需要考虑两个关键点来优化 LED 芯片的光输出。第一种是如何最大化侧边生长，从而更有效的抑制外延增长中的失配位错；第二种是如何获得最大化散射效应来提高光提取。

 

图2：图案面积与总基板面积之比是通过阴影面积或者灰色面积与六边形面积之比来计算的（a），并且纵横比指的是图案结构的高与宽之比（b）。