表面纹理对荧光发光二极管光提取效率的影响

引言

近几年来，氮化镓基发光二极管取得了持续快速的发展。氮化镓基发光二极管目前被用于各种显示和照明应用，包括交通信号、全彩色显示器、汽车照明和普通室内照明。研究表明，倒装芯片发光二极管(FCLED)结构在提高光提取效率方面非常有效，可用于高功率和高效率的发光二极管。

在本文中，FCLED中蓝宝石衬底的底侧表面被纹理化，试图提高光子通过纹理化蓝宝石 衬底逃逸的可能性。为了研究表面纹理对荧光发光二极管光提取效率的影响，我们检测了蓝宝石底面纹理的深度(0.2–0.4m)和形状(线型和网状)。蓝宝石衬底底侧表面的纹理是通过干法刻蚀工艺产生的。与具有无纹理蓝宝石表面的传统FCLED相比，具有纹理蓝宝石表面的FCLED的光输出功率得到了极大的提高。

实验

图1显示了具有非纹理蓝宝石的fcled的示意图：1(a)和纹理蓝宝石表面；1(b)通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)在c面蓝宝石衬底上生长了具有465nm发射的氮化镓led。氮化镓LED由以下几层组成：一个2米厚的硅掺杂的氮化镓层，InGaN/GaNMQW，其中包括5个周期的16nm厚的氮化镓屏障和2nm厚的InGaN孔，一个厚度为0.2m的mg掺杂的p-GaN。通过热退火快速退火后，p-GaN的空穴浓度为3 10 cm。LED结构生长后，使用电感耦合等离子体(ICP)纹理LED蓝宝石表面。在蓝宝石的ICP蚀刻之前使用丙酮。电感耦合等离子体刻蚀工艺完成后，用BOE剥离一氧化硅掩膜。蓝宝石的电感耦合等离子体蚀刻速率约为200/分钟。蓝宝石衬底上网状和线型图案的周期距离分别为13和17 m。在蓝宝石衬底的底侧上形成纹理之后，通过电感耦合等离子体部分蚀刻p-氮化镓层，以暴露用于电极形成的n-氮化镓层。然后通过电子束蒸发在氮化镓上沉积钛/铝层(30/80纳米)作为氮垫电极，在氮化镓上沉积安妮/银合金膜(5/200纳米)作为磷垫反射电极。

图1 FCLEDs的横截面示意图

总结和讨论

与传统的场致发光二极管相比，在20 mA的注入电流下，具有0.4 μm深度的网状纹理蓝宝石的场致发光二极管增加了40.2%。这些结果表明蓝宝石衬底的表面纹理化减少了内部光反射并提高了光提取效率。换句话说，由于纹理表面，光子找到逃逸锥的概率可以增加。即使光子在第一次试验中没有逃逸，重定向的光子在第二次试验中可以以逃逸锥角存在，并从蓝宝石发射到空气中。这种机制被报道为通过光子再循环的角度随机化，纹理图案和蚀刻深度的优化可能会进一步提高荧光发光二极管的光提取效率。从有源区到银反射器的距离也是通过FCLED芯片中的逃逸锥提取更多光子的重要因素。因此，我们需要进一步优化从有源区到反射器的距离，以提高光提取效率。
 

总之，我们发现具有纹理化蓝宝石衬底的FCLEDs具有增加的光提取效率。光输出功率随着蓝宝石衬底上图案密度和蚀刻深度的增加而增加。在蓝宝石衬底底侧上具有网状纹理的周期性距离的FCLEDs中，光输出功率增加了40.2%。通过蓝宝石衬底的光提取效率的提高归因于光子通过FCLED中蓝宝石衬底上的纹理从锥体逃逸的多种机会。

　　审核编辑：汤梓红