基于DBR结构的蓝光及白光...LED的制备及光学性能改善_胡涛.pdf

=DOI:1013290/jcnkibdtjs20230100318半导体技术第 48 卷第 1 期2023 年 1 月基金项目:国家自然科学基金面上项目(61874168);江苏省产学研项目(BY2022236);企业横向项目(21ZH626，22ZH003)基于 DB 结构的蓝光及白光 GaN LED 的制备及光学性能改善胡涛，朱友华*，钟岱山，王美玉，李毅(南通大学 信息科学技术学院，江苏 南通226019)摘要:为改善 GaN 基发光二极管(LED)的光学性能，设计并制备了具有高反射率与宽反射带宽的 SiO2/Ti3O5分布式布拉格反射镜(DB)结构的蓝光和白光 GaN LED。制备了具有不同周期数的 DB 结构，其中，17 周期 DB 结构在 400660 nm 波长内平均反射率超过 99.3%，其反射带宽度达到 231 nm。测试并比较了封装后的基于 DB 结构的 LED 芯片的电学与光学特性。通过电流光输出功率(I-L)特性测试，发现具有 17 周期 DB 结构的蓝光 LED 的光输出功率比 5 周期的提升了 6.7%，而白光 LED 的光输出功率则提升了 9.7%。在约 100 mA 的直流注入电流下，蓝光和白光 LED 的最大光输出功率分别达到 134.9 mW 和 108.4 mW。关键词:GaN 发光二极管(LED);离子辅助沉积;分布式布拉格反射镜(DB);光输出功率;平均反射率中图分类号:TN364.2文献标识码:A文章编号:1003353X(2023)01001807Preparation and Optical Performance Improvement of Blue andWhite GaN LEDs Based on DB StructureHu Tao，Zhu Youhua*，Zhong Daishan，Wang Meiyu，Li Yi(School of Information Science and Technology，Nantong University，Nantong 226019，China)Abstract:In order to improve the optical performance of GaN-based light emitting diode(LED)，blue and white GaN LEDs with SiO2/Ti3O5distributed Bragg reflector(DB)structure with high reflec-tivity and wide reflection width were designed and fabricated DB structures with different cycles wereprepared The average reflectivity of the 17-cycle DB structure exceeds 99.3%in the wavelength rangeof 400660 nm，and the reflection width reaches 231 nm The electrical and optical characteristics ofthe packaged LED chips based on DB structure were measured and compared The current-light outputpower(I-L)characteristic measurement results show that the light output power of the blue LED with17-cycle DB structure increases by 6.7%than that of the blue LED with 5-cycle DB structure，andthe light output power of the white LED increases by 9.7%At the injected DC current of about 100 mA，the maximum light output powers of blue and white LEDs are 134.9 mW and 108.4 mW，respectivelyKeywords:GaN light emitting diode(LED);ion assisted deposition;distributed Bragg reflector(DB);light output power;average reflectivityEEACC:4260D胡涛等:基于 DB 结构的蓝光及白光 GaN LED 的制备及光学性能改善=January2023Semiconductor Technology Vol48 No1190引言近 10 年以来，GaN 基发光二极管(LED)因其低能耗、高光效、长寿命等优势，被广泛应用在光通信、高分辨率显示、能量收集以及激光器等光电领域14。其中，工业生产常用的封装方法为利用 InGaN/GaN 基蓝光 LED 激发黄光荧光粉材料，如 Y3Al5O12 Ce3+(YAG)，蓝光与黄光混合便能产生人工白光5。尽管研究人员针对蓝光及白光LED 的光电性能提升进行了大量的基础与应用性研究，但是由于衬底外延生长过程中需要克服晶格与热膨胀系数匹配等技术瓶颈，且目前主流的 GaN基 LED 仍采用蓝宝石衬底，所以光损耗仍然是影响器件发光效率的主要因素之一67。为了提高 GaN 基 LED 的光学特性尤其是光的提取效率，一般选择采用在可见光范围内具有高反射率的反射镜这一特殊结构。分布式布拉格反射镜(DB)是其中一种最具有代表性的多层结构，其通过高、低折射率交替的不同层可以产生较高的反射率，并提供可调节的反射光谱。由于结构简单、易加工以及光学性能可控，DB 结构在波长滤波器、偏振分束器及高反射镜等光电子领域得到广泛应用。此外，Au、Ag、Al 等金属反射镜在宽波长范围内也具有较高的反射率(80%90%)。但是金属反射镜在蓝色波长区域的表面等离子体本征吸收较低，同时金属与吸收材料间晶格常数的差异又使得 DB 结构的热稳定性较差，不能提供稳定的高反射率进而导致 LED 的光电性能下降。目前在主流工业生产中，通常采用不同折射率(n)的电介质材料如 SiO2与 TiO2来制作 DB，多层的 SiO2/TiO2DB 结构配合 Ag 金属反射镜可以在 400 500 nm光谱范围内提供超过 96%的反射率8。此外，还可以通过将电极金属与 DB 层结合形成全角反射镜结构，有效提升大角度入射时的反射效率，提升高压倒装 GaN 基 LED 的光电性能9。与之相比，在基于 SiO2/Ti3O5薄膜的 DB 中，SiO2(n=1.46)和 Ti3O5(n=2.35)的折射率相对更大，仅依靠 DB 膜系就可以在较宽的光谱范围内提供 更 高 更 稳 定 的 反 射 率，且 常 与 氧 化 锡 铟(ITO)在封装 LED 中制作反射式欧姆接触10。而利用离子辅助沉积可以直接在 LED 芯片或光电探测器背部制作 DB 结构，相对于使用 Ag 或 Al 的金属反射镜具有更牢靠的结构、更稳定的化学特性以及更低的生产成本11。但是要制备在整个可见光区域内具有高反射率且高质量的 DB 是非常具有挑战性的，这主要是由于在通常情况下，长波长范围的反射率需要较厚的周期层增加光程差，而短波长范围的反射率则需要较薄的周期层12。本文设计并制备了 3 组具有不同周期SiO2/Ti3O5DB 结构的蓝光和白光 GaN 基 LED，并进行传统的芯片封装，测试并对比了 3 组 DB 结构所对应的LED 性能，成功提升了 DB 在中心发射波长为450 nm 的反射率，优化了光谱反射带宽，其中 17周期的 DB 在 400660 nm 光谱范围内具有最高的反射率，反射带宽提升至 231 nm。本文研究表明 SiO2/Ti3O5DB 结构能够有效提升蓝光与白光LED 的光学性能。1DB结构设计DB 是由高折射率介质层与低折射率介质层交替叠加排列形成的周期性结构13，介质层的厚度为中心反射波长的 1/4。每层的厚度由以下关系式确定，即nHtH=nLtL=/4(1)式中:为中心反射波长;nH、nL分别为高、低折射率介质层对应的折射率;tH、tL分别为高、低折射率介质层的厚度。DB 的反射特性主要由其反射系数 决定，即=n2NHn2NLn2NH+n2NL()2(2)式中 N 为 DB 的堆栈周期。首先借助 Matlab 软件使用传输矩阵法对 DB 进行了横磁(TM)模偏振下的反射率仿真，将 DB 的堆栈周期分别设置为5、10、17，光谱范围设定为 300 750 nm;通过TFCalc 软件研究了 DB 堆栈的角度依赖性，将Ti3O5和 SiO2的折射率分别设置为 2.35 和 1.46，根据传输矩阵将厚度分别设定为 47 nm 和 77 nm。不同周期数下 DB 反射率仿真曲线如图 1 所示，从图 1 中可以直观地发现，垂直入射情况下，在反射光谱420530 nm 范围内，堆栈周期为5 时 DB 的平均反射率较低且光谱反射带宽较窄。而随着周期数增大，反射率显著提高到接近 100%，反射光谱带宽也有一定的提升。此外，17 周期的 DB 结构相较于另外 2 个设定周期数的 DB 结构在 420 530 nm 光谱范围内都保持着非常高的反射率，其胡涛等:基于 DB 结构的蓝光及白光 GaN LED 的制备及光学性能改善=20半导体技术第 48 卷第 1 期2023 年 1 月光谱反射带宽也有较大的提升。从上述结果可知，该 DB 结构可以较好地满足蓝光及白光 LED 的光谱反射需求。而当 DB 堆栈周期达到 17 周期时，因其反射率已经接近 100%，再继续提高周期数已经没有太大意义。图 1不同周期数 DB 的反射率仿真曲线Fig.1Simulated reflectivity curves of DBs with different cycles2实验在 2 英寸(1 英寸=2.54 cm)图形化蓝宝石衬底(PSS)上，采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法生长具有相同外延层结构的 3 组外延片，其外延层结构主要为:20 nm 的 GaN 缓冲层，3 m 的本征 GaN 外延层，2.5 m 的 Si 掺杂 n型 GaN，120 nm 的 Si 掺杂 n-AlGaN 空穴阻挡层，9对 InGaN/GaN 量子阱有源区，30 nm 的 Mg 掺杂p-AlGaN电子阻挡层以及 60 nm 的 Mg 掺杂 p-GaN接触层。具体工艺流程及实验参数可以参考文献 14。GaN-LED 外延片生长完成之后，通过常规芯片工艺完成 n 电极、p 电极以及最上层透明电极ITO 的制备，然后将蓝宝石衬底研磨抛光，使用日本光驰公司的镀膜设备(OTFC1300)将 3 组不同周期(5、10、17 周期)的 DB 结构制备在蓝光 LED 芯片的蓝宝石衬底背面。单晶 Si 作为生长SiO2薄膜的离子源，Ti3O5晶体作为生长 Ti3O5薄膜的离子源，同时 O2及惰性气体 Ar 作为载气气源。生长期间，SiO2与 Ti3O5薄膜生长速率分别控制在(0.30.03)nm/s 和(0.80.08)nm/s，压力参数设定为 2.0103Pa，生长温度范围调整为 160180。在 DB 制备完成之后，使用 Agilent 公司的紫外可见分光光度计(Cary Series UV-Vis)测试各样品对应的反射率，光谱范围选取在 170 3 300 nm并使用扫描电子显微镜(SEM)观测薄膜的沉积形貌。此外，LED 芯片封装制备完成后使用 FitTech 公司分选机(IPT6000)对芯片进行点测分选，再使用远方公司的积分球光