提高垂直结构LED外量子效率的新型微纳技术研究

随着半导体照明应用的不断扩大，对高亮度LED芯片提出更高要求。目前国内在高端LED研制方面与国外研究机构的差距主要表现为单芯片发光效率不高，尤其是外量子效率只有40%，还有很大的提升空间。.垂直结构LED在提升外量子效率方面具有很大的优势，这是因为垂直结构LED电极上下垂直分布，解决了正装、倒装结构LED因电极平面分布导致的如散热，电流分布不均匀、可靠性差等问题，有可能取代现有的器件结构成为LED主流技术。.由于垂直结构芯片表面与侧面的面积比大大增加，类似于单方向出光，而光子晶体同时具有光子禁带和光栅衍射效应。在垂直结构中引入光子晶体，不但能提高LED的出光效率，还能很好地控制器件的空间发光分布，使得LED外量子效率的提升成为必然。纳米压印技术原理简单、具有无法替代的优势。本项目采用纳米压印技术，在垂直结构LED芯片上制备光子晶体，结合芯片侧壁粗化与电极优化，大幅提升LED的外量子效率。

本项目针对目前LED光源出光效率低下的技术瓶颈，利用光子晶体可以提高LED外量子出光效率的特点，采用具有低成本高效率优势的纳米压印加工技术，研究光子晶体的制备技术及其与输出光的相互作用机制，取得初步结果。总结如下：. 1.利用FDTD软件模拟了光子在二维平面光子晶体中的传播行为，并对LED表层光子晶体的结构参数进行优化。从垂直结构LED芯片的光子晶体、在GaN表面外延其他低折射率材料的结构参数以及折射率渐变的波导模式光子晶体进行模拟；并从二维和三维两个方面对折射率渐变波导模式光子晶体进行模拟，从理论上得出在垂直结构LED芯片表面制备光子晶体的结构参数；. 2.首次提出利用光子晶体的波动理论和折射率渐变的波导理论相结合来提高光提取效率。这一理论结合了波动光学和几何光学的双重优点，减小了在芯片与空气界面处的光损失，并通过实验证实该理论的正确性。在相同电流下具有波导结构光子晶体LED芯片光功率明显高于平面LED芯片。在工作电流为350 mA时，平面LED芯片和波导结构LED芯片的光功率分别为150 mW和220 mW，具有波导结构LED芯片的光功率为平面结构LED芯片的1.47倍，即外量子阱效率增强47%；. 3.解决了基于垂直结构LED表层N极性GaN材料的干法刻蚀工艺。经过优化后表层N极性GaN的表面粗糙度达到4.67nm，完全满足光子晶体制作的要求；. 4.开发出基于垂直结构LED芯片中光子晶体的纳米压印技术。采用石英材料作为压印模板，研究了纳米压印制备过程中的关键技术如匀胶、压印、图形转移、光子晶体制备等关键核心工艺，为纳米压印技术与LED工艺的集成奠定了基础。采用纳米压印制备的光子晶体LED芯片的光功率为平面结构LED芯片的1.42倍，即外量子阱效率增强42%。