第27卷 第4期 固体电子学研究与进展 v01.27.No.4 2007年11月 RESEARCH&PROGRESS OF SSE NOV.,2007 矿 光电子学 钝化膜提高GaN基LED光提取效率研究 达小丽 沈光地 徐 晨 朱彦旭 (北京工业大学光电子技术实验室,北京,100022) 2007—01—08收稿,2007—03—26收改稿 摘要:模拟计算了光的入射角度与反射率的关系,当光的入射角度大于23。时,发生全反射,无论是否在器件表 面生长增透膜,这时的光都无法从器件顶部出射表面提取出来。研究了使用等离子体增强化学气相沉积法 (PECVD)在已经制备了n电极和P电极的GaN基LED上制备钝化膜,分析了SiON和SiN 膜沉积对于器件的光 输出功率的影响。通过实验证明,在器件上沉积SiON后,光输出功率增加。 关键词:氮化镓基发光二极管;等离子体增强化学沉积;钝化膜 中图分类号:TN304,2 文献标识码:A 文章编号:1000—3819(2007)04—558一O4 Study on Enhancement of Light Output Power for GaN-based LED by Coating Passivation Layers DA Xiaoli SHEN Guangdi XU Chen ZHU Yanxu (Institute of Electronic Information attd Control Engineering,Optoelectronic Technology Lab.,Beijing University of Technology,BeOing,100022,CHN) Abstract:In this paper,we simulate the relationship between the reflectivity and the light incident angle.When the incident angle is more than 2 3。,the light can not be extracted from LED top emitting surface.We fabricate SiON and SiN films respectively at low temperature(100 。C)through Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition(PECVD)to serve as the passivation layer of GaN—I EDs,and then compare their light output power.The light output power of the LED improved greatly after depositing the SiON passivation layer. Key words:GaN—LED;plasma enhanced chemical vapour deposition;passivation layer EEACC:728OE;736OL;7755;7865K 的发光二极管在实现半导体固体照明方面起着重要 1 引 言 的作用,目前已成为光电子学领域的研究热点[1]。为 了获得高亮度的GaN基LED,关键是要提高器件 发光二极管由于其具有体积小、寿命长、效率 的外量子效率。目前芯片光提取效率是限制器件外 高、高耐震性、耗电量少及发热少等特点,被广泛应 量子效率的主要因素,其主要原因是GaN基的外延 用到日常生活中的各项用品,如各种家电的指示灯 层材料、蓝宝石衬底材料与空气之间的折射率差较 或光源等。近年来更由于多色彩及高亮度化的发展 大,导致有源区产生的光在不同的折射率材料界面 趋势,应用范围更向户外显示发展,如照明灯、大型 发生全反射而不能导出芯片-2 ]。 户外显示屏、交通信号灯等。尤其是GaN材料制备 目前已经提出了几种提高芯片光提取效率的方 }联系作者:E—mail:dada365@emails.bjut.edu.ca 维普资讯 http://www.cqvip.com 4期 达小丽等:钝化膜提高GaN基LED光提取效率研究 559 法,主要包括:改变芯片的几何外形,减少光在芯片 已经具备了生长基底温度低的优点,但是对于半导 内部的传播路程,降低光的吸收损耗,如采用倒金字 塔结构 ;控制和改变自发辐射,通常采用谐振腔或 体发光器件来说,当在其上生长介质钝化膜时,样品 已经具备n电极和P电极,这些金属电极都很难经 受高温,在高温的过程中,金属电极的性能会发生退 化。因此要在低温条件下生长钝化保护膜,来确保电 极特性不会发生恶化。因此在沉积这两种介质膜的 时候,PECVD的基底温度设定在100。C。制备 Si0N时,PECVD的腔室压力为66.7 Pa,SiH 、 者光子晶体等结构;采用粗化表面,使光在粗糙的半 导体和空气(或者其它介质)界面发生散射,增加其 透射的机会-5 ]。此外利用倒装焊(Flip—chip bond— ing)技术,同时通过带有高反镜的P型电极增加光 子从蓝宝石透射机会,从而进一步提高芯片的光提 取效率 。 半导体表面是具有特殊性质的表面,对外界气 氛极为敏感,影响半导体器件的特性。为了提高器件 的可靠性和稳定性,必须对表面采取有效的保护措 施。由于钝化层的生长是在完成电极制备之后,因此 生长温度不易过高,否则电极性能会变坏。而温度过 低,生长的钝化层往往存在黏附性不好,易剥落的问 题。对于LED器件来说,不仅要求有好的电特性,更 要求有高的光提取效率。文中针对这些问题使用等 离子体化学气相沉积在1OO。C下制备黏附性好的 Si0N和SiN 膜,研究了这两种钝化膜对于GaN基 I ED光电特性的影响。 2 实 验 实验中使用的样品是在(0001)面蓝宝石衬底 上,用M0CVD生长的多个InGaN/GaN量子阱的 发光二极管的外延片。其结构从下到上分别为:蓝宝 石衬底、GaN缓冲层、Si掺杂的n—GaN层、InGaN/ GaN多量子阱有源区、Mg掺杂的P—GaN层。为了 有效地激活p-GaN中的掺杂杂质的活性,样品在 750。C的氮气环境中退火30 min ̄9],使得p-GaN和 n—GaN层的载流子浓度能够分别达到5×10"cm。 和5×1018cm~。在350。C下使用Plasmalab 80 Plus 型PECVD生长Si0 做掩模,使用刻蚀系统ICP刻 过多量子阱有源区一直到n—GaN形成I ED台面, 用胶做掩模,在p-GaN上溅射Ni/Au,然后在500 。C度的条件下进行合金5 min形成P电极的欧姆接 触层,然后剥离光刻胶。再用胶保护P电极和I ED 台的侧壁,在n—GaN上溅射Ti/Al/Ti/Au形成n 电极欧姆接触,剥离光刻胶。这样就在器件上就制备 好了n电极和P电极,然后将样品分成10 mm×10 mm的多个小样品。从其中拿出两个样品,使用等离 子体增强化学气相沉积的方法,在这两个样品上分 别生长Si0N和SiN 。通常来说,使用PECVD的方 法生长介质钝化膜采用25O~400。C的基底温度。虽 然与普通的CVD(800 ̄1 200。C)相比,PECVD法 N20和N2的流量分别为200 sccm、120 sccm和350 sccm,并且3O w的低频激励源(100 kHz)和4O w 的高频激励源(15.56 MHz)分别交替使用。制备 SiN 时,PECVD的腔室压力为66.7 Pa,浓度为 5 的SiH 的流量为400 sccm,高纯NH。的流量为 9 sccm,并且采用低高频激励源交替工作模式,低 频(100 kHz)激励源功率为4O w,高频(13.56 MHz)激励源功率为3O w。在制备介质膜时应用高 低频激励源交替的模式可以更加容易的制备出均匀 性好、应力低的SiN 膜L1 。由于Si0N和SiN 是介 质膜,具有高绝缘特性,因此在生长之后还需要应用 光刻腐蚀的方法,将电极上的介质膜腐蚀去掉,暴露 出电极,从而方便在裂片后可以进行压焊。将这两个 样品连同表面没有生长介质钝化膜的GaN基LED 样品一起,将蓝宝石衬底减薄、划片、裂片,然后压焊 制作成裸装的器件。 3 结果与分析 很多研究已经证明,适当地选择膜层的折射率 和厚度可以降低表面反射率,达到增透效果。通过大 量的研究已经证明,在太阳能电池中,SiN 膜作为 增透膜取得了很好的效果… 。但是关于在GaN基 I ED上制备增透膜的报道很少。K.M.Chang等人 报道-1 ,采用SiN 作为GaN基蓝光LED的钝化 膜,可以使得在器件生长该钝化膜后,光输出增加了 6 。GaN材料的折射率为2.5左右,如果GaN表 面直接与空气接触,当光线从空气射入GaN时或者 当光线从GaN射入空气时,在两个介质的分界面上 就会产生光的反射。如果介质没有吸收,分界面是一 个光学表面,如果光线垂直入射,则GaN与空气的 界面反射率可以通过公式计算得到, R一(\ n ̄李空气十 -+ /irnGaN 一(/) \}l b十Z・/) 一o. 83e 这就说明界面的反射率为18.36%,并且入射角小 于全反射的光中,有18.36 的光被反射回LED内 部,如果这部分光能够全部出射,可以使得光输出增 加25.63%。 维普资讯 http://www.cqvip.com 560 固体电子学研究与进展 因此需要计算在GaN表面上生长介质薄膜后 线,当折射率为1.58时,在460 nm处的反射率降到 0;当折射率为2.0时,在460 nm处的反射率为 5.3 9/5;当折射率为1.46时,反射率介于它们之间。 由此可见,在GaN表面制备折射率为1.58的膜层 能够实现很好的增透效果。LED与激光器不同,从 的反射率,使用薄膜的特征矩阵法叭 来模拟计算在 GaN上镀不同折射率膜层后的反射率, [ cos , sin ,] 矩阵l [l称为薄膜的特征矩阵,它包 有源区产生的光是在4丌立体角内各向均匀发射。图 2模拟了GaN材料和空气接触时以及在GaN材料 上生长SiON或SiN 后,反射率与光的入射角度之 ,'rhsin cos _J 含了薄膜的全部有用的参数;矩阵『_Br]为基片和薄 膜组合的特征矩阵。其中 一- y“N d cos0 ,对于P一 分量, 1一Ⅳl/cos01,而对于s一分量, 1一N】cos0l,N】 是GaN上所镀膜的折射率,d 是所镀膜层的物理 厚度。 令y=C/B,得到y= 等 ,因 此振幅反射系数为 r一 7] ̄mg-一 名 )(仉+ co s3 三舄 /】+ (吼 1 v )+ 1 sin3,】 得到能量反射 一 率为 R ・Y = ( o~ 2)。COS 】+( o 2/V1— 1) sin 1 ( o+ 2) COS 1+( o 2/V】+ 1) sin 】。 当光线垂直入射时, ,一0。,对于s一分量和p一分 量来说都是 一N ,并且 。一N。, :一N ,N。是空 气的折射率,Ⅳ 是GaN的折射率。在正入射时,当 膜的光学厚度是 ,/4的奇数倍时,只要基底的折射 率大于上面镀膜的膜层折射率,反射率就是一个极 小值。 图1模拟了光垂直入射在GaN表面生长折射 率为1.45、1.58和2.0,并且膜层厚度为四分之一 波长的膜层时,波长与反射率的关系,比较这三条曲 图1 三种折射率不同的材料在不同波长下的反射率 Fig.1 The reflectivity of three different films at differ- ent wavelength 间的关系。 图2中,A曲线代表没有生长钝化膜时,也就是 GaN材料与空气直接接触时光的入射角度与反射 率的关系图;B曲线代表在GaN表面生长四分之三 波长的折射率为2.0的SiN 膜后,光的入射角度与 反射率的关系;C曲线代表在GaN表面上生长四分 之三波长并且折射率为1.58的SiON膜后,光的入 射角度与反射率的关系。在这三条曲线的最初阶段, 随着光的入射角增加,反射率基本保持不变,在接近 O O O23。的位置,反射率急剧增加到1。这是因为当光子 O 9 8 7 6 从光密媒质射向光疏媒质时,入射角大于临界角就 会发生全反射。GaN的折射率为2.5,通过公式 一 sin (‰ / c w),很容易计算出当GaN与空气直接 接触时,发生全反射的临界角为23。。入射角大于临 界角的光子如果不能够经过一次或者多次反射从其 它出光面出射,将在I ED内部被吸收。从图2中可 以看到,当光的入射角小于临界角时,C曲线的反射 率最低,其次是曲线B,它们都小于A曲线的反射 率。 Incident angle/degree 图2光的入射角度与反射率的关系对比图 Fig.2 The relationship between incidence angle of light and the reflectivity 为了研究它们对GaN基LED的光性能的影 响,从生长了SiON、SiN 膜以及没有生长钝化膜的 GaN基LED样品中分别取出1O只I ED,在20 mA 的电流下测试光输出功率,生长SiN 钝化膜的 O O O5 4维普资讯 http://www.cqvip.com 4期 达小丽等:钝化膜提高GaN基LED光提取效率研究 56l GaN基I ED的光输出功率平均值为1.94 mw,生 长SiON钝化膜的GaN基I ED的光输出功率平均 值2.273 mw,没有生长钝化膜的I ED的光输出功 率平均值为1.829 mW。从这些数据可以分析出, GaN基I ED生长SiN 钝化膜后,光输出功率略有 增加,大约为6 。GaN基I ED生长SiON钝化膜 后,光输出功率增加了24.27 。影响增透效果的三 个主要因素是I ED的波长、增透膜的折射率和增透 ternal quantum efficiency[J].Appl Phys Lett,1999, 75(16):2 367-2 365. [5] Huh Chul,Lee Kug-Seung,Kang Eun—Jeong,et a1.Improved light—output and electrical perf ormance of InGaN—based light-emitting diode by microroughening of the p-GaN surface1'J].J Appl Phys,2003,93(11):9 383~9 385. -I6] Huh Chul,Lee Kug—Seung,Park Seong—Ju.En- hanced performances of InGaN—based light-emitting 膜的厚度。使用J.A.Woollam.Co.,Inc.的 WVASE32型角度可变、波长可变的椭偏仪分别测 量了所生长的这两种膜的厚度和折射率。SiON和 SiN 的折射率分别为1.5435和2.0709。SiON和 SiN 膜的物理厚度分别为220.4 nm和172.6 nm。 理想单层增透膜的条件是膜层的光学厚度为四分之 一波长的奇数倍,其折射率为入射介质和基片折射 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。一 率的乘积的平方根,即,z一√,z 气*,zc w一 1*2.5 =1.58。由此可以看出,SiON的折射率最接近理想 的单层增透膜,因此生长SiON膜后,GaN基I ED 的光输出功率提高很多。 4 结 论 模拟计算了生长增透膜与界面反射率的关系, 增透膜可以有效地降低表面反射率。模拟计算了光 的入射角度与反射率的关系,当光的入射角度大于 23。时,发生全反射,无论是否在器件表面生长增透 膜,这时的光都无法从器件内部提取出来。研究了使 用等离子体增强气相沉积法(PECVD)在制备好n 电极和P电极的GaN基I ED上制备增透膜,分析 了SiON和SiN 膜沉积对于器件的光输出功率的 影响。通过实验证明,在器件上沉积SiON能够有效 地提高器件的光输出功率。 参 考 文 献 [1] You C H.Visual equivalence of light—emitting diode white light[J].Opt Eng,2005,44(11):111 307—1— 1l1 3O7—7. 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