全息技术制作二维光子晶体蓝宝石衬底提高发光二极管外量子效率文档格式.docx

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（厦门大学物理系,厦门361005

（2008年5月9日收到;

2008年6月6日收到修改稿

为了提高GaN基发光二极管（LED的外量子效率,在蓝宝石衬底制作了二维光子晶体.衬底上的二维光子晶体结构采用激光全息技术和感应耦合等离子体（ICP干法刻蚀技术制作,然后采用金属氧化物化学气相沉积（MOCVD技术在图形蓝宝石衬底（PSS上生长2m厚的n型GaN层,4层量子阱和200nm厚的p型GaN层,形成LED结构.衬底上制作的二维光子晶体为六角晶格结构,晶格常数为38m,刻蚀深度为800nm.LED器件光强输出测试结果显示,在PSS上制作的LED（PSSLED的发光强度普遍高于蓝宝石平面衬底上的LED,平均强度提高了100%.在PSS和蓝宝石平面衬底上GaN层的（0002晶面采用X射线测得的衍射摇摆曲线显示,PSS上的GaN晶体质量并没有提高,表明PSSLED外量子效率显著提高的原因不是由于内量子效率的提高,而可能是由于二维光子晶体产生的散射作用导致提取效率的提高所致.

关键词:

全息,发光二极管,图形蓝宝石衬底,外量子效率PACC:

4240M,7860F,7850G

部分光在界面被反射回来,形成波导光被困在器件

1引言

内部,经过多次反射最终被半导体吸收,转化为热能.这不但造成了能量的大量损耗,而且由于LED经常工作在高温状态,使LED的使用寿命缩短.在LED中制作二维光子晶体结构来提高LED的外量子效率是近年来的研究重点之一.目前采取的方法

[2,3]

主要有以下三种:

一是在p型GaN材料或铟锡

[4]

氧化物（ITO层表面制作二维结构来提高器件的光提取效率;

二是在蓝宝石衬底的底面制作类似透

[5]

镜阵列的结构来提高LED底面的光提取效率;

三是在蓝宝石衬底制作二维结构,然后生长GaN材料

[6]

制作成LED器件.研究表明,第三种方法同时具

[7]

有提高内量子效率和提取效率的效果.在第三种方法中,衬底图形的制作大多采用半导体工艺的光刻法,先将图形制作在衬底表面的遮挡层上,然后用

[8][9]

干刻法或湿刻法将图形转移到蓝宝石衬底上.采用光刻曝光的方法必须先制作光刻掩模版,而一块光刻掩模版只能对应一个周期的结构,不利于不同周期的衬底结构制作.此外,光刻工艺分辨率比较低,不利于小周期图形的制作.

目前,发光二级管（LED由于其节能、环保、长寿命的特性引起了人们的广泛关注,是未来社会所需要的新型照明光源.其中,GaN基LED作为蓝光照明材料,其优势尤其明显:

GaN基LED不但可以作为白光LED的激发光源,而且可以作为液晶显示的背光源、大幅广告和夜景光源等.但是,目前GaN基LED因亮度太低还无法广泛应用,其主要根源是器件的内量子效率和光提取效率很低,导致外量子效率低.其很低的内量子效率是由于GaN材料目前无法找到适配的衬底进行生长,其与蓝宝石衬底的晶格失配为14%,所以长成的GaN材料缺陷较多,缺陷密度较大.当电流注入的时候,线缺陷吸收了部分电流而不能有效产生载流子,使注入效率下降.同时,产生的载流子在缺陷能级无辐射复合,而且载流子复合生成的光能容易被缺陷吸收,产生热量.光提取效率低主要是由于LED材料与外界材料的折射率相差很大,存在界面全反射作用.LED发射的大

*福建省青年人才创新项目（批准号:

2007F3099资助的课题.Exmu.cn

[1]

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物理学报58卷

本研究采用全息技术代替光刻法在蓝宝石衬底上制作二维光子晶体图形.所采用的全息技术具有光学系统简单、制作过程快速、能用一次曝光制作大面积光子晶体图形等优点.此外,还能靠调整光路参数来实现不同周期图形的制作,具有很强的实用性和很低的结构制作成本.实验中采用全息曝光加感应耦合等离子体（ICP刻蚀技术在蓝宝石衬底上制作二维光子晶体结构.所制作的光子晶体为六角晶格结构,晶格常数为38m,在衬底中的刻蚀深度为800nm.在图形蓝宝石衬底（PSS上采用金属氧化物化学气相沉积（MOCVD法制作GaN基蓝光LED器件.器件输出测试结果显示,在PSS上制作的LED（PSSLED的发光强度普遍高于蓝宝石平面衬底上的LED,平均亮度提高了100%.GaN的（0002晶面X射线衍射摇摆曲线显示,在PSS上生长的GaN晶体的质量没有提高.器件外量子效率提高的原因可能是由于二维结构产生的散射作用导致提取效率的提高.

形成二维六角晶格图形.图形的晶格常数D取决于三束衍射光相对于系统光轴的夹角,可表示为

D=

3sinarccos1-22

2

（1

式中为光栅的一级衍射角.众所周知,光栅的衍射角由光栅周期决定,所以只要控制HOE上光栅的周期,即可获得所需晶格常数的二维六角晶格图形.因此采用图1

所示的光学系统,可以很容易地制作不同周期的二维图形.此外,HOE上光栅的面积决定了一次曝光所制作的二维结构的面积,所以面积为几个平方英寸的二维图形可以用一次曝光获得.这十分有利于实现工业化的低成本、大批量制作.

2实验

图1在光刻胶上制作二维图形的全息光学系统示意图

21蓝宝石图形衬底的制作

首先在蓝宝石衬底上用甩胶机涂布一层厚度大

约为28m的美国产AZ500型正性光刻胶,然后采用图1所示的全息光学系统在光刻胶上曝光,制作光子晶体图形.采用的光源是HeCd激光器发出的波长为442nm的激光.激光束经过扩束滤波器扩束后,再经过准直透镜形成平行光照射在全息光学元件（HOE上.HOE是由三个两两夹角为120并具有相同周期的光栅组成,三个光栅的一级衍射光相互干涉

将涂有光刻胶的蓝宝石衬底放在三束光的干涉

区域中,衬底平面与系统光轴相垂直,衬底的解理面与二维晶格图形的一组晶列方向成30角.由于GaN晶体的解理面与蓝宝石衬底的解理面相差30,因此所制作的光子晶体的一组晶列与GaN晶体的解理面方向相同.实验中所用的样品为半圆形衬底,即2英

2.曝光时采用遮挡方直径的蓝宝石衬底片的1

式只让一部分衬底受到曝光,这样可以在同一片衬

图2PSS的显微照片（结构晶格常数为38m,刻蚀深度800nm（aPSS的光学显微镜照片,（bPSS的AFM照片

2期林瀚等:

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底上制作两种LED（PSSLED和普通LED,方便进行比较.曝光以后的衬底经过显影,在光刻胶上产生二维六角光子晶体结构,晶格常数为38m.结构晶格格点的位置为空气圆孔,圆孔穿透整个胶层.然后对衬底进行ICP刻蚀,刻蚀深度为800nm.图2是PSS的显微照片,其中图2（a是光学显微镜拍摄的,显示PSS上的结构均匀;

图2（b是在15m15m面积上获取的原子力显微镜（AFM照片,显示圆孔壁有倾斜,圆孔直径随着深度增大而略变小.22GaN基LED的制作

采用MOCVD外延技术在PSS上制作LED器件:

先生长一层厚度为2m的n型GaN,再生长4个周期的InGaNGaN量子阱结构,最后生长厚度约为200nm的p型GaN层.外延生长完后,

采用通常

域为p电极.由于在衬底上生长的外延层很薄,从器件表明仍可以看到制作在衬底上的图形结构.图4是整个器件的截面示意图.

3实验结果及分析

发光强度分布测试表明:

在20mA注入电流下,PSSLED的发光强度普遍远高于未制作结构区域的普通LED的发光强度.PSSLED的最高发光强度为65mcd,而普通LED的最高发光强度为50mcd,最高发光强度相比提高了30%.将芯片中所有PSSLED的平均亮度（55mcd与所有普通LED的平均亮度（27mcd比较,可得PSSLED的平均亮度提高了100%.分别在样片的PSS区域和未做结构的区域取一个中等亮度的LED进行!

发光强度电流∀曲线测试,得到的结果示于图5.图中三角形代表衬底未做结构的LED,圆点代表PSSLED.图5表明,在不同的注入电流下,PSSLED的发光强度都远高于普通LED.

图3制作完成的单个LED器件的光学显微镜照片两个白色区

域分别为两个电极

图5LED光输出相对注入电流的变化曲线

LED的发光强度提高,表明LED的外量子效率提高了.LED的外量子效率取决于LED的内量子效率和光提取效率,并存在以下关系:

!

ext=!

int!

lee,

（2

图4PSSLED的截面示意图

其中!

ext,!

int和!

lee分别为外量子效率、内量子效率和光提取效率.从（2式可知,LED内量子效率或提取效率的提高都会导致PSSLED外量子效率的提高.为了分析本实验获得PSSLED外量子效率提高的原因,我们首先检测PSS上的GaN晶体质量是否有改变,如果晶体质量提高了,则表明内量子效率有提高.检测方法是采用X射线双晶衍射仪来获取（的半导体光刻法刻出电极台面,然后在p型GaN上采用真空镀膜方法制作一层250nm厚的ITO层作为电流扩展层,再制作上p电极和n电极,整个器件就制作完成.图3是单个LED的光学显微镜照片,

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（FWHM,以了解其位错情况是否有改善.

图6是在室温下对GaN晶体（0002面测得的X射线衍射摇摆曲线,图中实线代表生长在PSS上的GaN晶体,虚线代表生长在平面衬底的GaN晶体.二条曲线显示生长在PSS上的GaN晶体的半峰全宽为256arcsec,而生长在平面衬底上的GaN晶体的半峰全宽为232arcsec.两种GaN晶体的半峰全宽十分接近,证明生长在PSS上的GaN晶体的质量没有提高.由此可以得出结论,实验中所获得的PSSLED外量子效率的提高不太可能是由于内量子效率的提高所致,而可能是光提取效率的提高所致

.

值才会对波导光产生衍射.光栅周期最大值dmax为

dmax=

n1sin∀-n2

（3

其中n1是GaN的折射率,n2是蓝宝石衬底的折射率,∀为波导光入射到界面的角度（∀∃∀TIR,为光波长.利用（3式计算得知,我们在衬底制作的结构（d=3m只对入射角在524%59之间的波导光起衍射作用.所以PSS结构对波导光产生衍射导致提取效率提高的作用不明显.

基于以上分析,本实验获得明显外量子效率提高的原因很可能是由于PSS中的二维结构对光产生的散射作用,使原来被!

n型GaN衬底∀界面限制的波导光改变了传播角度,使得其中一部分可以从LED表面射出,提高了LED的提取效率.

4结论

本研究在蓝宝石衬底上采用全息技术和IC