正方形孔径纳米半球阵列提高LED光提取效率研究

2017-12-05刘顺瑞张明磊冷雁冰孙艳军

发光学报 2017年12期

关键词：方形微结构半球

刘顺瑞，王丽，张明磊，冷雁冰，孙艳军

(长春理工大学光电工程学院，吉林长春 130022)

正方形孔径纳米半球阵列提高LED光提取效率研究

刘顺瑞，王丽，张明磊，冷雁冰，孙艳军*

(长春理工大学光电工程学院，吉林长春 130022)

为提高氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)的光提取效率，基于等效介质理论设计了底面100%占空比、半径为320 nm的正方形孔径纳米半球阵列。利用时域有限差分法(FDTD)对正方形孔径纳米半球阵列结构底面占空比、半径对光提取效率的影响进行了仿真计算研究。仿真结果表明：LED p-GaN表面刻蚀半径为320 nm、底面占空比为100%的正方形孔径纳米半球阵列的光提取效率最优。采用电子束曝光配合热回流技术和ICP刻蚀完成正方形孔径纳米半球阵列的GaN基LED制作及测试实验。结果表明：在20 mA和150 mA工作电流下，有微纳结构的LED较无微纳结构的参考样品的发光效率分别提高4.67倍和4.59倍，计算结果与实验结果比较一致，说明加入方形孔径纳米半球阵列可以有效提高LED光提取效率。

发光二极管；时域有限差分法；纳米半球；光提取效率；电致发光

1 引言

发光二极管由于其光电转换效能高、使用寿命长、节能环保等优点被广泛应用于光电子领域[1]。但是，光提取效率不高是伴随LED发展而一直存在的主要问题。由于GaN(折射率2.5)材料与空气(折射率1)间的折射率差异引起的全内反射，使有源层产生的大部分光被半导体材料吸收转变为热能耗散，导致表面无微纳结构的蓝光LED顶端光提取效率仅为3%～5%[2]。近年来，国内外学者在提高LED光提取效率方面做了许多研究，提出了图形化衬底[3-4]、表面粗化[5-6]、光子晶体[7-10]、微纳结构[11-13]等方法。图形化衬底和刻蚀光子晶体均具有构造过程复杂、成本较高的特点；表面粗化由于理论阐述不明确，技术难以持续改进。其中最直接的方法是在LED表面制作微纳结构，该方法简单易行，便于实现尺寸可控的大面积微结构制作[14-15]。周期性的纳米球阵列具有较宽频带的光吸收特性，非常适合用于提高LED的出光效率[16-17]。Ee等[18]通过SiO2与聚苯乙烯胶体球快速对流沉积法形成球面阵列，出光效率提高2.19倍；Boden等[19]提出，微结构的轮廓对其反射性能以及适用的减反波段起着决定作用；王翔等[20]通过分析等截面和渐变截面两种结构的抗反射性能，发现呈梯度变化的微纳米结构具有更好的减反性能，这对提高LED光提取效率的微纳结构设计具有指导意义。

本文利用正方形孔径纳米半球阵列提高GaN基LED光提取效率，首先利用FDTD模拟表面微结构参数(正方形孔径纳米半球半径、底面占空比)对LED光提取效率的影响并进行优化设计，然后制作了具有表面微结构和无表面微结构的LED芯片，最后进行对比测试，分析表面微结构对GaN基LED光提取效率的作用。

2 原理与设计

等效介质理论(Effective medium theory，EMT)是研究亚波长结构理论中较为简洁直观的一种近似理论。当光通过特征尺寸小于波长的微纳结构时，结构表面的细节轮廓不能被光波识别出，仅存在零级衍射，此时微纳结构等效于一层均匀介质。设光通过一维亚波长结构时，基底介电常数为εG，出射介质介电常数为εa，结构宽度为b，周期为T，高度为h，则占空比为f=b/T。入射光可分解为两个光强均为其一半的偏振光，即电场振动方向与出射面垂直的TE偏振光和出射面与电场振动方向平行的TM偏振光。当TM偏振光入射到不连续电介质时，设Ey为电场强度E在两介质分界面沿切线分量，对应的电位移矢量分量Dy可表示为：

(1)

则沿分界面方向的平均电位移矢量：

(2)

进一步可得到TE偏振下等效介电常数：

(3)

同理可求得TM偏振下的等效介电常数为：

(4)

对于周期性二维方柱形亚波长结构，等效介质常数可近似表示为：

(5)

设出射介质为空气，折射率为1；nG为基底折射率，在此指GaN的折射率，由麦克斯韦边界条件可得出：

(6)

由此得到二维亚波长周期结构的等效折射率neff:

(7)

对于非正方形结构，体积占空比f2=fxfy，式中fx、fy为亚波长结构在x、y方向上的占空比。若将微纳结构分成数层平行于底面的薄片，可由式(6)推导计算得出每层的等效折射率neff。当结构表面为曲面时，平行于底面的截面面积自下而上是连续变化的，因此每薄层对应的占空比f和对应的等效介质折射率neff都是连续变化的，即微纳结构阵列可看成GaN至空气折射率的过渡区域。根据Fresnel反射理论可知，当光从一种介质入射到另一种介质时，若两种介质的折射率差值越大其交界面上产生的反射就越大，由此可得出，连续变化的折射率有助于提高LED的光提取效率。

图1 正方形孔径纳米半球阵列单元结构及排列方式

Fig.1Structure and arrangement of square aperture nano-hemisphere array unit

(8)

由式(7)可计算出当正方形孔径纳米半球阵列呈二维周期性正方排列时底面占空比为100%，且单元结构表面为曲面，依据前面的计算结果，这种结构有望大幅度提高LED的光提取效率。

图2 方形孔径纳米半球阵列LED示意图

Fig.2Schematic diagram of LED with square aperture nano-hemisphere array

加入方形孔径纳米半球阵列的正装GaN基LED结构如图2所示。结构阵列呈二维周期性正方排列，结构参数中设周期为b、半径为r。由于结构特征尺寸为亚波长量级，所以须使用等效介质理论或矢量衍射理论进行分析[21]。时域有限差分法是矢量分析法中主要的分析方法之一，该算法通过Yee元胞方式可将麦克斯韦方程组离散转化为一组适合计算机编程的差分方程，并逐步推进求解空间磁场。在3D-FDTD模拟时，将模型四周设置完全匹配层(PML)，以单个电偶极子源模拟有源层，设置中心波长为465nm，监视器放置在距离方形孔径纳米半球阵顶部一个波长的位置。文中光提取效率的计算公式为：

(9)

式中，Pout表示监视器接收到的光辐射功率，Psourse表示有源层辐射出的总的光功率。则光提取效率增强倍数可表示为：

(10)

式中，ηsquare指加入方形孔径纳米半球阵列LED的光提取效率，η0指传统无表面结构LED的光提取效率。

3 模拟与优化

图3半径为200nm时，光提取效率随微结构的底面占空比变化的计算结果。

Fig.3Light extraction efficiencyvs.b/Tvalues with200nm radius

图4为利用Matlab数学拟合方法得到的半径为200nm、底面占空比为0.2，0.4，0.6，0.8，1时的方形孔径纳米半球沿高度方向等效折射率变化曲线，初始的折射率都从1开始。显然底面占空比越大，正方形孔径纳米半球底部薄层的等效介质折射率neff越大，当b/T=1时，该层的等效介质折射率取得最大值，与基底的折射率相等，此时的折射率是连续变化的，为纳米半球半径确定情况下的最优解。

图4占空比不同的方形孔径纳米半球沿高度方向的等效折射率变化曲线

Fig.4Effective refractive indexvs. radius with differentb/Tvalues

图5为固定底面占空比为100%时，光提取效率随纳米半球半径的变化。计算结果表明，纳米半球半径对光提取效率的影响较为明显，纳米半球半径从100～400nm变化时,光提取率最大提高至无表面微结构LED的6.06倍，即当纳米半球半径为320nm时，光提取效率最大。当半径从320～400nm变化时，光提取效率急剧减小，说明此时除了零级衍射外还存在一级及更高级别的衍射，等效介质理论已不适用，即结构表面形状无法被忽略从而影响了纳米半球对光提取效率的提高。

图5 光提取效率随微结构的半径变化的计算结果

综合上述计算结果，LED p-GaN表面附有底面占空比为100%、半径为320nm的方形孔径纳米半球阵列时光提取效率最优。但考虑结构较小时的加工制备问题，底面占空比一般不能达到100%，为此我们模拟了底面占空比为60%～100%情况下，半径为320nm的方形孔径纳米半球阵列光提取效率较无表面微结构的LED的提高倍数，结果如图6所示。其中底面占空比为96%时的光提取效率提高5.73倍；底面占空比为93%时提高5.2倍。

图6半径为320nm时，光提取效率随微结构的底面占空比变化的计算结果。

Fig.6Light extraction efficiencyvs.b/Tvalues with320nm radius

4 实验制作

为保证较大的底面占空比和较好的面形，本文选用电子束曝光配合热回流技术和ICP刻蚀，设计图形为边长450nm、间距20nm的正方形密排结构，此时底面占空比为96%，虽不能达到100%占空比，但是根据模拟结果，仍有望获得较大的光提取效率。实验中使用的芯片结构自上而下依次是约500nm的p掺杂GaN，5个周期的有源层InGaN/GaN多量子阱结构，2μm的n型GaN，3.5μm的非掺杂GaN，最下层是双抛型蓝宝石衬底。样品的发光波长在465nm左右，以无表面微纳结构的LED芯片为参考样品。实验的整个工艺流程如图7所示。

掩模制作的主要工艺流程为匀胶-前烘-曝光-显影-热回流。实验选用ZEP520正性光刻胶，使用Smartcoater100匀胶机以2500r/min均匀旋涂在样品p-GaN上，其中胶厚约300nm。匀胶后，采用WON-50干燥箱烘烤15min，烘烤温度为80℃。曝光使用RaithElphyplus图形发生器，加速电压和曝光剂量为15keV和160μC/cm2。热回流为实验关键步骤之一，该技术采用加热的方法使光刻胶图形呈现玻璃态，然后在表面张力的作用下形成半球形。由于光刻胶和基片存在较大的粘附力，可形成方形孔径的纳米半球。实验中将样片在118℃下加热150s。

图7 光刻工艺流程图

刻蚀在ICP-801型反应离子刻蚀机内进行，经反复调试，刻蚀时所用的混合气体Cl2/BCl3的流量为30/5cm3/min，刻蚀速率约为4.5nm/s，此时方形孔径纳米半球面形最为理想。使用Zeiss Merlin Compact型扫描电子显微镜测试的结果如图8所示。

图8方形孔径纳米半球阵列p-GaN层倾斜45°的扫描电镜视图

Fig.8Scanning electron microscope images of nano-hemisphere arrays on p-GaN at45° tilt angle

5 测试

图9为原子力显微镜(AFM)测试图。由图9(a)三维扫描立体图中可知，纳米半球阵列面型较为平滑，基本符合设计要求。图9(b)为结构二维剖面图，通过图中数据可计算出平均半径为316nm，平均底面占空比为93%。测试参数与设计数据存在一定误差，这是设备误差、工艺参数控制误差以及操作误差综合作用的结果。一般情况下，刻蚀选择比并不能严格等于1，这将导致刻蚀得到的基底图形和光刻胶图形在纵向尺度上存在放缩关系，我们使用最优刻蚀参数时，纳米半球的半径也有所减小；边长及间距的误差主要是由电子束曝光过程中散射电子的横向展开所引起的。

图9AFM扫描结构图。(a) AFM 测试的三维图；(b)结构剖面图。

Fig.9AFM scanning structure. (a) Three dimensional diagram of AFM test. (b) Structural profile.

为了研究纳米结构对光提取效率的影响，需对器件的电光性能进行测试。测试使用的是在表面微结构制作完成后，再经过多次光刻、刻蚀、电极制备、退火等工艺制作完整的300μm×300μm的小芯片。图10(a)为分别测试无微纳结构参考样品和制作有微纳结构样品的伏安特性曲线，可以看出，制作有方形孔径纳米半球阵列样品的电压较参考样品的略大，分析原因如下：由于采用扎探针方式测量光强，切入探针的位置与接触角等因素会导致一定的测量误差；另一方面，刻蚀过程对样品的阻值也有一定影响。但从图中可以看出，其对芯片的电学特性影响较小。图10(b)是样品的电流-光强曲线，可以看出，在相同电流的条件下，制作有方形孔径纳米半球阵列的出光强度较参考样品要大。例如，在电流为20mA时，出光强度提高了4.67倍；而在电流为150mA时，提高了4.59倍，均与模拟结果较为接近。光强随着电流的增大而提高倍数减小的原因可能是由于微纳结构对LED的散热有一定影响，致使阻值有略微增加，在电流较大时更为明显。综合上述测试结果和分析可以得出，加入方形孔径纳米半球阵列可以有效提高LED的光提取效率。

图10 测试样品与参考样品的电致发光测试曲线。(a)伏安特性曲线;(b)光强-电流曲线。

Fig.10Test curves of the samples and reference samples. (a) Optical output powervs. injection current characteristics. (b) Currentvs. voltage.

6 结论

本文研究了方形孔径纳米半球阵列对LED出光效率的提升作用。首先利用等效介质理论进行分析，并通过FDTD模拟GaN基LED表面制作方形孔径纳米半球阵列结构参数对光提取效率的影响进行仿真计算，得出半径为320nm、底面占空比为100%的正方形孔径纳米半球阵列的光提取效率最优。在此基础上，采用电子束曝光配合热回流技术和ICP刻蚀的方法制作了加入方形孔径纳米半球阵列的GaN基LED，并与无表面微结构的LED对比测试，结果表明，在20mA和150mA工作电流下，制作有微纳结构的样品较无微纳结构的参考样品的发光效率分别提高了4.67倍和4.59倍。本文工作表明，加入方形孔径纳米半球阵列可以有效提高LED的光提取效率。

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StudyofLightExtractionEfficiencyforLEDwithSquareApertureNano-hemisphereArray

LIUShun-rui,WANGli,ZHANGMing-lei,LENGYan-bing,SUNYan-jun*

(SchoolofPhoto-electronicEngineering,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China)

Based on the equivalent medium theory, an square aperture nano-hemisphere structure with bottom surface fill-factor of100% and spherical vector height of320nm was designed and put into use in the course of experiment as it sought to make GaN-based LED more efficient. Guided by the finite-difference time-domain method(FDTD), a simulation research on how the parameters of structure influenced the light extraction efficiency performance, such as the spherical vector height, the bottom surface fill-factor was schemed to be conducted in the experiment. The study provided the evidence that the optical light extraction efficiency could be achieved on the occasion that the square aperture nano-hemisphere array with a radius of320nm and a bottom surface fill-factor100% p-GaN was etched and presented on the surface of LED. Such technologies as electron beam exposure combined with thermal reflow and ICP etching should be applied and come into service for building square aperture nano-hemisphere arrays. In strict accordance with calculation results, under the working current of20mA and150mA, the luminous efficiency of the LED with the nano structure is4.67times and that of the reference sample is less than4.59times, which shows that square aperture nano-hemisphere array promises to help make the light extraction efficiency of LED better, according to the electroluminescence test.

LED; finite-difference time-domain method; nano-hemisphere; light extraction efficiency; electroluminescence

2017-05-10；

2017-09-17

总装预研基金(9140A10011515BQ03135)资助项目

Supported by General Armaments Department Pre-research Fund(9140A10011515BQ03135)

1000-7032(2017)12-1668-07

TN383

10.3788/fgxb20173812.1668

*CorrespondingAuthor,E-mail:custsun@126.com