利用納米壓痕技術(shù)提高AlGaInP LED光提取效率的研究.pdf

1、在過去的幾十年中，發(fā)光二極管(LED)作為高效節(jié)能的光源在交通信號燈、戶外顯示器、液晶顯示屏(LCD)背光等得到廣泛應用。最近幾年有作為節(jié)能環(huán)保的室內(nèi)光源在室內(nèi)裝飾等領(lǐng)域得到普及。目前，高亮度的紅光LED主要由A1GaInP的合金半導體制成。通過改變AlGaInP合金半導體中各元素的比例，可以獲得從紅光到綠光的各種顏色的發(fā)光二極管。然而根據(jù)斯涅爾定律，平面結(jié)構(gòu)LED的光提取效率η與材料的折射率n有η≈1/(4 n)2的關(guān)系，對于平面結(jié)構(gòu)

2、的AlGaInP LED來說從量子阱中發(fā)射出來的光子中只有大約2.3％能夠射出。這大大限制了AlGaInP LED的光提取效率(LEE)。因此涌現(xiàn)了許多方法被用來提高LED的光提取效率，包括表面粗化，利用激光，電子束或離子束刻蝕進行表面圖形化處理，圖形化襯底和等離激元納米結(jié)構(gòu)等。這些方法的首要原則就是為光子開辟其他通道使其從LED表面逃逸。在現(xiàn)有的方法中，光子晶體LED將光從波導模式散射為輻射模式和利用光子帶隙抑制某些波導模式兩種方式來

3、提高LED的光提取效率。而另一種常用的方法是使用圖形化藍寶石(PSS)一方面通過打斷或者使位錯彎曲來抑制GaN中位錯密度，從而有效提高GaN藍光LED的內(nèi)量子效率;另一方面PSS襯底能夠打破LED中的波導模式，使得由量子阱發(fā)出的光從LED芯片中逃逸，從而大大提高了光提取效率。
　　然而現(xiàn)有的方法中大多涉及復雜的化學過程或是需要昂貴的設備，從而限制了這些方法在實際制造LED中的廣泛應用。因此需要一種簡單快速同時便于廣泛應用的技術(shù)用于

4、提高LED光提取效率。在目前的主要方法中，直接利用力學方法對LED進行圖形化結(jié)構(gòu)處理的技術(shù)并未被涉及。壓痕技術(shù)有著悠久的歷史，最早可以追溯到HeinrichHertz在1880年代首先研究了兩個軸對稱物體相接觸的實驗。目前，壓痕技術(shù)主要用來測試材料的機械性能例如硬度和表面硬度等。這種技術(shù)在制造納米圖形化結(jié)構(gòu)上的潛力還沒有被開發(fā)。
　　為了論證利用納米壓痕技術(shù)在AlGaInP LED表面GaP制備大面積周期性結(jié)構(gòu)從而提高LED光提取

5、效率，并利用化學方法進一步提高納米壓痕結(jié)構(gòu)光提取效率影響的可行性，我的論文將分為以下四章進行論述，依次是第一章緒論，第二章利用納米壓痕技術(shù)提高AlGaInP LED光提取效率，第三章化學腐蝕輔助提高納米壓痕結(jié)構(gòu)AlGaInP LED光提取效率，以及第四章結(jié)論與展望。其主要內(nèi)容包括以下幾方面:
　　(1)我首先闡述了傳統(tǒng)的壓痕理論，以及現(xiàn)代納米壓痕技術(shù)的理論基礎.利用傳統(tǒng)壓痕理論，有助于我們研究壓痕的形成過程以及壓痕裂紋和塑性區(qū)域的

6、分布，同時壓痕應力場分布對壓痕形成起到至關(guān)重要的作用。我們利用現(xiàn)代的納米壓痕測試技術(shù)測試了AlGaInP LED表面GaP窗口層的力學性能，并獲得GaP窗口層的彈性模量和楊氏模量。依據(jù)測試結(jié)構(gòu)，圖形化藍寶石被選定作為在AlGaInP LED表面實施壓痕的大面積微納米壓頭。
　　(2)通過制定精確的實施流程，根據(jù)選定的圖形化藍寶石，我們利用液壓系統(tǒng)作為動力來源，在特制的模具中對AlGaInP LED進行納米壓痕處理。通過不斷重復和調(diào)

7、節(jié)液壓系統(tǒng)的加載過程，我們在AlGaInP LED表面GaP窗口層獲得了大面積周期性納米壓痕結(jié)構(gòu)。對GaP窗口層的納米壓痕結(jié)構(gòu)進行表征之后，我們認為該納米壓痕結(jié)構(gòu)符合脆性材料的壓痕理論，并且壓痕結(jié)構(gòu)的影響范圍得到有效的控制。
　　(3)對進行過納米壓痕處理的AlGaInP LED進行的電學測試表明，雖然納米壓痕處理對AlGaInP LED的電學性質(zhì)產(chǎn)生了一定的影響，即開啟電壓略微提高，動態(tài)電阻在低電流是也相應提高。然而當LED進入

8、工作電壓后，這種影響趨于減小，電學性質(zhì)的差別并不明顯。隨后的光學測試表明，納米壓痕處理并未影響多量子阱(MQWs)的發(fā)光特性，即放射光波長及和半高寬沒有變化。與此同時納米壓痕顯著提高了AlGaInP LED的光提取效率。經(jīng)過納米壓痕處理的AlGaInP LED發(fā)光強度提升到了原來的255％。
　　(4)在利用納米壓痕結(jié)構(gòu)有效提高AlGaInP LED光提取效率的基礎上，我們利用化學腐蝕方法對GaP窗口層的納米壓痕結(jié)構(gòu)進行進一步處理

9、。之前的研究表明氫氟酸和雙氧水組成的混合腐蝕液能夠腐蝕GaP窗口層，我們通過控制不同的腐蝕時間，研究了經(jīng)過納米壓痕處理的AlGaInP LED的腐蝕情況。結(jié)果表明，超過2min的以上的腐蝕時間，對AlGaInP LED造成嚴重破壞，導致無法點亮。
　　(5)在前面研究的基礎上，我們研究了分別腐蝕10s、30s和1min對納米壓痕AlGaInP LED光提取效率的影響。通過對進行過腐蝕的納米壓痕AlGaInPLED的光電性的測試表明

10、，相對長時間的腐蝕對LED的電學性能造成了不良的影響。與此同時，當腐蝕30s時，納米壓痕AlGaInP LED發(fā)光強度再之前的基礎上獲得了最大21.2％的提高。
　　綜上所述，本碩士論文研究了利用圖形化藍寶石作為納米壓痕壓頭在AlGaInP LED表面GaP窗口層制備了大面積周期性納米壓痕結(jié)構(gòu)。利用這些納米壓痕結(jié)構(gòu)在基本不影響LED電學性能的同時，顯著提高了AlGaInP LED的光提取效率。在此基礎上，利用氫氟酸和雙氧水對納米壓