折射率匹配對綠光發光二極管微顯示光學性能影響

王 磊，羅 翔，常佛青，王曉楠，劉蘇陽，湯 昊，劉宏宇，孫潤光

(南昌大學 材料科學與工程學院，江西 南昌 330031)

1 引 言

近年來，隨著人們對增強現實(AR)和便攜式投影設備的需求日益漸漲，對顯示技術提出了更高的要求，如高像素密度和高亮度[1-3]。LED微顯示器以其高動態范圍、高對比度、壽命長、體積小和功耗低等優點迅速發展[4-7]。一般來說LED微顯示器是指有效顯示區對角線尺寸小于25.4 mm(1 in)，單個像素尺寸小于50 μm的微型顯示器件[8]。LED微顯示芯片的制作技術主要是LED微縮化和矩陣化技術，即在一個芯片上高密度集成的微尺寸LED陣列[9]。

理論上影響LED光提取效率的因素主要分為兩個方面：一是由于光在半導體和空氣界面因折射率差所引起的反射損失，二是由于半導體材料和LED電極材料對光的吸收，從而影響了器件的光效[10]。在材料的選擇上，Ti/Al/Ni/Au等高反射率材料的使用，已盡可能使其對光的吸收達到最低[11]。因此，為了進一步增加LED 微顯示器的光提取效率，我們著力于從界面反射出發，通過涂敷折射率匹配層增加光逃逸錐角，進而增加器件的光效[12]。目前已通過表面粗化、倒裝芯片、圖形化襯底、納米結構表面、分布式布拉格反射器等技術來增加LED的光提取效率，但是以上增加光提取效率的方法多為照明領域且制作工藝復雜，用于顯示領域來增加光提取效率的研究方法較少[13-17]。本文通過涂敷的方法研究了折射率匹配層對LED微顯示器光學性能的影響。

2 實 驗

2.1 器件制備

本研究中用于器件制備的外延片為101.6 mm(4 in)藍寶石襯底綠光(525 nm)InGaN/GaN多量子阱結構,其各外延層結構如圖1所示。絕緣透明的雙拋藍寶石襯底為器件提供了一個理想的顯示平面，圖2展示了該LED 微顯示器的結構剖面圖。首先通過電感耦合等離子體(ICP)刻蝕定義出單像素區域，其中像素點距20 μm，臺面尺寸14 μm，然后采用電子束蒸發(EBE)在晶圓上沉積Ni/Au/Ni/Au薄膜形成P尋址電極、N層布線和公共負電極，將公共電極設計成網狀結構，使電流均勻流過每個像素，這樣提高了器件電流均勻性。隨后沉積SiO2鈍化層，減少單個像素側壁引起的漏電流，之后通過反應離子刻蝕(RIE)形成過孔，在每個像素P尋址電極和公共電極的頂部沉積Au凸點，然后通過倒裝焊機(FC150)將其與驅動IC的銦柱鍵合在一起，制作了10.67 mm(0.42 in)、分辨率為480×270的陣列，最后通過West Bond引線機將其與柔性印刷線路板(FPCB)連接在一起，封裝樣品如圖3所示。

圖1 襯底各外延層結構Fig.1 Epitaxial layer structure of the substrate

圖2 LED微顯示器結構剖面圖Fig.2 Structural profile of LED microdisplay

圖3 封裝的LED 微顯示器示意圖Fig.3 Schematic of encapsulated LED microdisplay

2.2 器件折射率匹配層涂敷

實驗分為兩組。A組實驗先測試樣品的光效率；之后在樣品的表面刮涂一層硅膠(卡夫特K-705 RTV硅橡膠折射率為1.45)，覆蓋整個發光區，用玻璃棒碾平，確保覆蓋的硅膠中沒有小氣泡存在，在室溫下將樣品靜置8 h以上，待硅膠無流動后測量樣品的光效率；隨后刮涂一層薄硅膠層在肖特BF33雙拋玻璃片(厚度為300 μm)上，將玻璃片和器件粘合在一起，確保玻璃片和硅膠之間沒有小氣泡存在，待固化后再次測量其光效率。B組實驗首先在器件的發光區周圍(N line布線周圍)封一圈黑色樹脂(DOW CORNING SE 9187L粘合劑)，隨后按照A組實驗順序和步驟重復進行實驗。整個實驗過程在常溫、常濕條件下進行。

2.3 器件性能表征

實驗首先用顯微鏡(KEYENCE VHX-600E)觀察了樣品的顯微結構，單個像素發光區半徑為5.15 μm，單個像素電流擴展區域大小為14.50 μm，器件測試區的有效發光區面積為1.08 mm2，如圖4所示。采用積分球測試儀(300積分球) 、光色電綜合測試儀(ZWL-600-M6)和快速光譜分析系統(600光譜儀)對樣品的光效率進行測試，采用計算機控制可編程的Keithley 2611A源表和SpectraScan PR-650亮度計對樣品的亮度進行測試，整個測試過程在常溫、常濕、無外部光照條件下完成，測試電流范圍為1～50 mA。采用Keithley 2611A源表、紅外測溫儀(GM300)和微電腦控制恒溫加熱板(946C)測量了樣品涂敷硅膠前后結溫的變化。

圖4 從藍寶石面觀察的LED 微顯示器單個點亮像素(×5 000)Fig.4 Single alight pixel (×5 000) of LED microdisplay viewed from sapphire surface

3 結果與討論

本文主要目的是研究折射率匹配層對綠光LED 微顯示器光學性能的影響。在已封裝器件上涂敷硅膠層，然后蓋玻璃片。InGaN/GaN綠光microLED的襯底為藍寶石，其折射率約1.76，而空氣的折射率在常溫下約1.0，由菲涅爾定律可知，光從光密介質進入光疏介質時會發生全反射[18]。倒裝結構的InGaN/GaN綠光microLED出光面為藍寶石，從半導體內部產生的光子，首先會經過各外延層到達器件與空氣界面，此時由于兩者的折射率相差較大，大多數的光子會因為全反射而回到內部，最終被器件所吸收[19]。

根據臨界角公式：

(1)

式中：θ為界面處的全反射臨界角，n2為空氣的折射率，n1為材料的折射率。假設從有源區產生的光為一點光源，如圖5(a)所示，沿半導體空氣界面法線方向發射的光可以直接從半導體中逃逸出來，若入射光角度超過了全內反射臨界角，那么光就會被反射回器件內部被吸收。空氣界面處半導體材料折射率的不同會導致逃逸光錐角不同，從而改變器件的光效率。帶入空氣和藍寶石的折射率，得到界面處的臨界角θ1=34.62°，即只有位于臨界角θ1=34.62°半角內的入射光才能出射到器件外。當在器件的表面涂敷折射率匹配層硅膠層之后，器件和空氣的接觸面變為硅膠與空氣界面，因硅膠的折射率為1.45，帶入式(1)，得到界面處的臨界角θ2=43.54°，即只有位于臨界角θ2=43.54°半角內的入射光才能出射到器件外，涂敷硅膠前后光逃逸錐角如圖5(b)所示。

圖5 (a) 界面處全反射示意圖；(b) 涂敷前后光逃逸錐角示意圖(紅線表示涂敷后，藍線表示涂敷前)。Fig.5 (a)Schematic diagram of total reflection at the interface;(b) Schematic diagram of light escape cone angle before and after coating (The red line is after and the blue line is before).

經過以上分析可知，涂敷折射率匹配層硅膠層之后，逃逸光錐角從34.62°變為了43.54°，即涂敷硅膠之后器件的光效率理論上會提高約25.94%。

圖6(a)為A組實驗電流密度-光效率曲線，隨著電流密度增加，光效率呈先升后降趨勢。可以看出樣品在未處理時峰值光效的電流密度約為1 A/cm2，最大光效率約為27 lm/W。樣品刮涂硅膠處理后，其峰值光效率變化明顯，此時最大光效率約35 lm/W，相比于未涂敷硅膠的樣品光效率增加29.63%。在刮涂硅膠之后，繼續在樣品表面覆蓋一層玻璃片，此時最大光效率約36 lm/W，在涂硅膠的基礎上有較小提升，此時因玻璃的折射率比硅膠大，硅膠和玻璃界面不會發生全反射，猜測是由于多光束干涉作用使其光效率增加[20]，相比于未涂敷硅膠時光效率提升37.04%。根據圖像可以直觀地看到涂敷硅膠對樣品光效率確有提升，且提升較明顯，通過涂敷折射率匹配層硅膠層，增強了界面處的光耦合作用，大幅提高了樣品的光效率。根據測試數據得到表1(為使結果更可靠，去掉小電流1～3 mA時的數據)，涂敷硅膠光效率提升平均值約25.75%，繼續蓋玻璃片后相比未處理前提升平均值約32.78%。

圖6 試樣處理前后電流密度-光效率曲線。(a)未封黑色樹脂；(b)封黑色樹脂。(注：Untreated表示未處理；Epoxy表示封黑色樹脂；Coating表示涂敷硅膠；Coating and Glass表示硅膠上蓋玻璃片)Fig.6 Current density-luminous efficiency curves before and after treatment.(a) Unsealed by black epoxy;(b) Sealed by black epoxy.(Note:Untreated means unprocessed;Epoxy means sealed by black epoxy;Coating means coating silicone;Coating and Glass means cover glass with silicone)

表1 未封樹脂測試實驗結果Tab.1 Test results of unsealed epoxy (lm·W-1)

圖6(b)為B組實驗電流密度-光效率曲線。封黑色樹脂后樣品峰值光效率仍為27 lm/W，與圖6(a)未修飾時峰值光效一致，且兩者曲線的上升下降趨勢一致，說明制作的LED 微顯示器從內部出射到器件外的光集中在正方向上，側方向上發出的光很少。樣品刮涂硅膠處理之后峰值光效率約30 lm/W，相比于只封黑色樹脂時提升11.11%，對照未封黑色樹脂曲線，其提升較少，主要是由于黑色樹脂吸收了部分光，導致最終發出到器件外的光變少。在硅膠基礎上蓋玻璃片后峰值光效率約26 lm/W，與只封黑色樹脂時相比反而是降低了，是因為硅膠具有流動性，實驗中為自然條件下固化，未封黑色樹脂時，蓋玻璃片向下按壓會使硅膠充分填充，但因其流動性和分子間作用力，硅膠會向中心靠攏，將玻璃往上推，待固化后，會在玻璃和硅膠間留下間隙，未封黑色樹脂時，不影響光從側方向發出；但封黑色樹脂后，此時硅膠和玻璃間的間隙，相當于多了兩層界面，硅膠/空氣界面與空氣/玻璃界面，在界面處會發生反射和折射等現象，造成光損失，同時因為黑色樹脂的存在，反射到樹脂的光會被吸收，導致光效率進一步降低。根據圖像可以直觀地看出在封樹脂后涂敷硅膠光效率仍有提升，但在蓋玻璃片后反而下降，與只封樹脂時的曲線相比略有降低，說明涂敷硅膠之后界面處的光耦合作用僅提高了側方向上的光通量，對正方向上的光通量沒有影響。根據測試數據得到表2(為了使結果更可靠，去掉小電流1～3 mA時的數據)，封樹脂后涂敷硅膠光效率提升平均值約7.49%，繼續蓋玻璃片相比只封樹脂的光效率降低平均值約2.25%。

表2 封樹脂后測試實驗結果Tab.2 Test results after sealing epoxy (lm·W-1)

圖7為A組實驗亮度-電流曲線，從圖中可以看出樣品在處理前后其亮度基本保持不變，在15～20 mA之間。所測亮度有一波動點，主要是因為亮度計量程最多到10 000 cd/m2，在亮度計鏡頭前添加衰減片，從而導致了亮度出現波動。實驗測試環境為常溫常濕，且都有重復實驗，測試數據多組，綜合涂敷硅膠前后的光效-電流密度曲線和亮度-電流曲線可知，涂敷硅膠處理前后測量曲線基本一致，無上下明顯波動，可知器件在正常環境、正常工作電流下光效率和亮度穩定。器件峰值光效率電流密度約為1 A/cm2，對應電流約為13 mA、亮度約為8 000 cd/m2。根據圖6、7可知，涂敷硅膠后由于界面處折射率發生改變，增加了界面處的耦合光效，使器件的光效率提升較大，但是其增加的僅是側方向上的光通量，并沒有使器件正方向上的光通量增加。

圖7 樣品亮度-電流曲線Fig.7 Luminance-current curves of the samples

LED微顯示器電流的變化，會引起器件結溫的變化，在恒流驅動條件下，由于LED 芯片到環境的熱阻是恒定的，故驅動電流引起的結溫溫升與環境的溫差近似為一恒定值，可以用環境的溫差(熱板的溫差)來代替LED 的結溫溫差，正向壓降和結溫的關系[21-22]：

(2)

(3)

式(2)中：Tj表示結溫，T0為初始結溫即環境溫度，V0為對應初始正向電壓，Vf表示不同環境溫度下正向電壓，K為電壓溫度系數。式(3)中：V0、V1分別為環境溫度T0、T1下的正向電壓。分別測量了熱板溫度為50，60，70，80，90，100 ℃，電流恒定為30 mA，涂敷硅膠前后溫度穩定下的Vf。為使溫度穩定，在每個環境溫度下等待20 min以達到熱平衡，繪制了Vf-T曲線，如圖8所示，對曲線進行了線性擬合，其擬合直線斜率的倒數即為溫度系數K。

圖8 恒流驅動，涂敷硅膠前后器件正向電壓與結溫的關系。Fig.8 Relationship between forward voltage and junction temperature of device before and after the silicone coating under constant current driving

從圖中可以看出，兩條曲線的斜率相差較小，根據線性擬合結果，得到涂敷硅膠前后的溫度系數K分別為-0.059 2 mV/℃、-0.052 4 mV/℃，R2都為0.97。由此可知涂敷硅膠前后器件的結溫變化不明顯，相同電壓下最大結溫溫差約7.5 ℃，器件在正常工作條件下，不影響硅膠的使用性 (硅膠使用溫度范圍-60～200 ℃)，同時其結溫的穩定性也說明了器件在涂敷硅膠前后的電學穩定性好。

4 結 論

通過一種簡單易行的方法提高了綠光LED 微顯示器的光學性能。通過涂敷折射率匹配硅膠層，改變了器件和空氣界面處的折射率，增加了光逃逸錐角，使耦合到器件外的光增加，進而增加器件的光效率，涂敷硅膠后光效率提升平均值約25.75%，和理論值相近。但是其增加的僅是側方向上的光通量，對于器件正方向上的光通量沒有提升，而顯示領域需要的是正方向上的光而避免側方向上的光，否則會出現串擾。根據光效率、亮度曲線以及結溫的穩定性可知，器件涂敷硅膠后的光學穩定性和電學穩定性好。器件涂敷硅膠后其光效率的增加為高效率LED的實現提供了參考依據。