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： 819 |
編者按：LED節能是一場持久戰，注重細節也就增加打勝戰的砝碼。如何減小LED內表面的反射率，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部光學參數和輔助外延生產監測的作用。
LED增透膜的原理和設計
制約傳統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，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過光子循環部分出射。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層。介質層的折射率和厚度都有優選值。
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，根據光學原理，增透介質的折射率
。使用PECVD生長的SiN介質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，為近年來開發的，已經開始有廣泛的應用。
表一、增透膜樣品與無增透膜樣品功率的比較
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（每種樣品數各10只） |
功率平均讀數 |
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% |
|
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，在實踐中我們還發現增透膜有方便測試外延片內部光學參數和輔助外延生產監測的作用。
傳統MOCVD生長的紅黃光LED的外延結構中布拉格反射層（DBR Reflector）是很重要的部分。生產中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層的反射產生干涉，使測試曲線變得復雜。如圖1，紅光LED全結構的反射率曲線，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全結構的反射率曲線
對于傳統紅黃光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。一個實際RCLED結構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全結構的反射率曲線，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，在生產中我們需要對RCLED的光學結構進行監測，而反復生長校準結構顯然提高了成本，不能作為一個監測手段。我們可以在MOCVD生長出的RCLED全結構上生長增透膜，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)明顯與量子阱的發射波長匹配（850nm），而1071#因為外延生長參數的漂移，明顯與設計結構有較大的變動。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，能夠實現RCLED外延片生產中的及時監測。
圖2. 兩個批次RCLED全結構的反射率曲線圖 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 化學工業出版社
[2] 940nm諧振腔發光二極管 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年畢業于中國科學技術大學物理系，獲得學士學位。現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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