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(hào)燈、戶外顯示器、液晶顯示屏(LCD)背光等得到廣泛應(yīng)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(dǎo)體制成。通過改變AlGaInP合金半導(dǎo)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(duì)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(jìn)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(dǎo)模式散射為輻射模式和利用光子帶隙抑制某些波導(dǎo)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(lán)寶石(PSS)一方面通過打斷或者使位錯(cuò)彎曲來抑制GaN中位錯(cuò)密度，從而有效提高GaN藍(lán)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(dǎo)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(fù)雜的化學(xué)過程或是需要昂貴的設(shè)備，從而限制了這些方法在實(shí)際制造LED中的廣泛應(yīng)用。因此需要一種簡單快速同時(shí)便于廣泛應(yīng)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(xué)方法對(duì)LED進(jìn)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(gè)軸對(duì)稱物體相接觸的實(shí)驗(yàn)。目前，壓痕技術(shù)主要用來測試材料的機(jī)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(xué)方法進(jìn)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(jìn)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(xué)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(chǔ).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(shí)壓痕應(yīng)力場分布對(duì)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(xué)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(lán)寶石被選定作為在AlGaInP LED表面實(shí)施壓痕的大面積微納米壓頭。
　　(2)通過制定精確的實(shí)施流程，根據(jù)選定的圖形化藍(lán)寶石，我們利用液壓系統(tǒng)作為動(dòng)力來源，在特制的模具中對(duì)AlGaInP LED進(jìn)行納米壓痕處理。通過不斷重復(fù)和調(diào)

7、節(jié)液壓系統(tǒng)的加載過程，我們?cè)贏lGaInP 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(duì)GaP窗口層的納米壓痕結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征之后，我們認(rèn)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(duì)進(jìn)行過納米壓痕處理的AlGaInP LED進(jìn)行的電學(xué)測試表明，雖然納米壓痕處理對(duì)AlGaInP LED的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了一定的影響，即開啟電壓略微提高，動(dòng)態(tài)電阻在低電流是也相應(yīng)提高。然而當(dāng)LED進(jìn)入

8、工作電壓后，這種影響趨于減小，電學(xué)性質(zhì)的差別并不明顯。隨后的光學(xué)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(shí)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(qiáng)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(chǔ)上，我們利用化學(xué)腐蝕方法對(duì)GaP窗口層的納米壓痕結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)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(shí)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(shí)間，對(duì)AlGaInP LED造成嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致無法點(diǎn)亮。
　　(5)在前面研究的基礎(chǔ)上，我們研究了分別腐蝕10s、30s和1min對(duì)納米壓痕AlGaInP LED光提取效率的影響。通過對(duì)進(jìn)行過腐蝕的納米壓痕AlGaInPLED的光電性的測試表明

10、，相對(duì)長時(shí)間的腐蝕對(duì)LED的電學(xué)性能造成了不良的影響。與此同時(shí)，當(dāng)腐蝕30s時(shí)，納米壓痕AlGaInP LED發(fā)光強(qiáng)度再之前的基礎(chǔ)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(lán)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(xué)性能的同時(shí)，顯著提高了AlGaInP LED的光提取效率。在此基礎(chǔ)上，利用氫氟酸和雙氧水對(duì)納米壓