實(shí)用化光子晶體結(jié)構(gòu)白光LED

文/劉登飛 胡集成 謝澤欣 林錦鑾

近年來(lái)，有關(guān)光子晶體的研究不斷深入發(fā)展，光子晶體對(duì)提升半導(dǎo)體LED出光效率，改善發(fā)光功率的重要作用已經(jīng)得到了大量研究報(bào)道的肯定。但有關(guān)這一課題的研究多集中在長(zhǎng)波長(zhǎng)LED方面，較少有研究涉及到對(duì)白光LED出光效率問(wèn)題的分析，且僅有研究多存在光子晶體面積小，工藝負(fù)載，以及缺乏實(shí)用性等一系列問(wèn)題。為彌補(bǔ)上述研究局限，本文將光子晶體結(jié)構(gòu)應(yīng)用于白光LED出光效率的改善中，并設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可大面積應(yīng)用、制作簡(jiǎn)便的光子晶體結(jié)構(gòu)白光LED，總結(jié)形成了有關(guān)實(shí)用化光子晶體結(jié)構(gòu)白光LED的制作工藝與方法，達(dá)到了利用光子晶體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)白光LED功率提升、效率提高的目的。

圖1：三角晶格與方形晶格的二維光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖

1 光子晶體結(jié)構(gòu)白光LED設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

以常規(guī)LED結(jié)構(gòu)為參考，設(shè)計(jì)制作的含光子晶體結(jié)構(gòu)的白光LED。整個(gè)實(shí)用化光子晶體結(jié)構(gòu)白光LED由藍(lán)寶石襯底、N型GaN，GaN材料有源層、P型GaN、P型電極、焊接盤(pán)、N型電極、焊接盤(pán)、以及光子晶體區(qū)這幾個(gè)部分構(gòu)成。基于傳統(tǒng)LED結(jié)構(gòu)研制方法，制作實(shí)用化光子晶體結(jié)構(gòu)白光基LED，加工工藝按照LED工作臺(tái)面→敷設(shè)透明電極→光子晶體結(jié)構(gòu)蝕刻→N型電極與P型電極制作加厚→引線鍵合的流程進(jìn)行、首先，將光刻法與干法相結(jié)合，刻蝕形成LED加工制作所需操作臺(tái)面；然后，將P型透明電極采用電子束蒸發(fā)法的方式敷設(shè)于臺(tái)面上；再次，在有P型透明電極敷設(shè)的特定范圍內(nèi)，采用光刻法與干法相結(jié)合的方式刻蝕形成光子晶體結(jié)構(gòu)；再次，制作形成N級(jí)電極并沉淀P、N型電機(jī)加厚電極部分；最后，引線鍵合處理后加工形成具有光子晶體結(jié)構(gòu)的白光LED操作器件。

需要特別注意的一點(diǎn)是，光子晶體結(jié)構(gòu)白光LED的制作形成必須以專(zhuān)用模板為基礎(chǔ)，每一操作步驟所對(duì)應(yīng)模板具有個(gè)體性的特征，而光子晶體模板正是其中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)、有關(guān)實(shí)用化光子晶體結(jié)構(gòu)模板的版圖設(shè)計(jì)必須充分考慮其在結(jié)構(gòu)、面積、占空比以及晶格常數(shù)等方面的特殊性。如圖1所示為三角晶格與方形晶格的二維光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖。結(jié)合圖1，該光子晶體結(jié)構(gòu)可以通過(guò)刻蝕材料表面形成空氣孔的方式制作得到，可也以刻蝕形成柱狀結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)。圖1中光子晶體結(jié)構(gòu)LED樣本趨于大小為100.0×100.0um2，中間圓孔直徑為50.0um，環(huán)形LED樣品區(qū)域內(nèi)徑尺寸為100.0um，區(qū)域外徑尺寸為300.0um。

2 光子晶體結(jié)構(gòu)白光LED出光效率的提升

如圖2所示為具有光子晶體結(jié)構(gòu)的白光LED經(jīng)平面波展開(kāi)法的計(jì)算得到的平板能帶圖，白光LED材料直接生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上。其中，a、b對(duì)應(yīng)的光子晶體結(jié)構(gòu)為三角晶格形式，c、d對(duì)應(yīng)的光子晶體結(jié)構(gòu)則為正方晶格形式。結(jié)合圖1，光子晶體結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)空氣孔尺寸按照空氣孔半徑/光子晶體晶格常數(shù)的方法計(jì)算，分別為0.3、0.4、0.3、0.4。

圖2：具有光子晶體結(jié)構(gòu)的白光LED經(jīng)平面波展開(kāi)法的計(jì)算得到的平板能帶示意圖

在圖2所示光子晶體結(jié)構(gòu)白光LED平板能帶圖中，實(shí)線對(duì)應(yīng)L-L，高于L-L以上模式為泄露模并耦合至自由空間。在歸一化頻率高于0.4的情況下，所有模式均表現(xiàn)為泄露模，這一頻率范圍內(nèi)，所有自發(fā)輻射均以耦合的方式集中至自由空間模中，因此可實(shí)現(xiàn)能量的最大限度輻射。換言之，若平板結(jié)構(gòu)材料發(fā)光范圍位于泄露模區(qū)域范圍內(nèi)，則意味著該結(jié)構(gòu)材料所對(duì)應(yīng)的LED出光效率能夠維持在較高水平。有報(bào)道中對(duì)比泄露模區(qū)域與帶隙區(qū)域所對(duì)應(yīng)的出光效率，分別為94.0%以上以及70.0%左右，更進(jìn)一步證實(shí)了該區(qū)域?qū)τ谔岣叱龉庑实闹匾饬x。本文中所設(shè)計(jì)白光LED，發(fā)光中心波長(zhǎng)為460.0nm，與之所對(duì)應(yīng)歸一化頻率為0.4，晶格常數(shù)為184.0nm。按照前文所述理論，泄露模區(qū)的覆蓋范圍為歸一化頻率>0.4區(qū)域。因此，在光子晶體結(jié)構(gòu)的制作過(guò)程中，只要能夠確保晶格常數(shù)達(dá)到184.0nm以上，則對(duì)提高白光LED的出光效率有積極作用。

也就是說(shuō)，我們可以利用本文所提到的實(shí)用化光子晶體結(jié)構(gòu)來(lái)提高白光LED整體出光效率，按照上文中的工藝方法加工研制形成的白光LED，其內(nèi)部光子晶體結(jié)構(gòu)能夠有效調(diào)制自發(fā)輻射，最大消毒消除半導(dǎo)體LED平板中存在的傳導(dǎo)模，通過(guò)自由空間與自發(fā)輻射耦合的方式，將傳導(dǎo)模耦合形成泄露模，并結(jié)合泄露模的有關(guān)歸一化頻率取值范圍指導(dǎo)光子晶體結(jié)構(gòu)加工制作中晶格常數(shù)的控制標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而使最終制作形成的白光LED具有更好的出光效率。以上即研發(fā)實(shí)用化大晶格常數(shù)光子晶體結(jié)構(gòu)以提升白光LED出光效率的核心原理所在。

3 結(jié)束語(yǔ)

為彌補(bǔ)當(dāng)前現(xiàn)有報(bào)道中有關(guān)光子晶體結(jié)構(gòu)改善半導(dǎo)體LED出光效率方面存在的不足，本文研究設(shè)計(jì)了可用于制作大晶格常數(shù)、大面積以及多構(gòu)型的光子晶體結(jié)構(gòu)白光LED，對(duì)各個(gè)加工制作步驟所需模板進(jìn)行了設(shè)計(jì)研發(fā)，特別以光子晶體結(jié)構(gòu)模板為重點(diǎn)，對(duì)其制作方法與工藝流程進(jìn)行了分析，采用光刻與干法相結(jié)合的刻蝕加工工藝具有良好的可操作性與可推廣性，整個(gè)光子晶體結(jié)構(gòu)白光LED加工工藝具有實(shí)用性特點(diǎn)，能夠?yàn)樘岣甙雽?dǎo)體LED出光效率開(kāi)辟新的途徑，值得引起業(yè)內(nèi)人士的共同關(guān)注與重視。