纳米图形化的蓝宝石衬底可提高绿光LED的输出功率

纳米图形化的蓝宝石衬底可提高绿光LED的输出功率

      经刻蚀图形后的蓝宝石衬底由于提升了氮化膜的质量和光捕获能力可提高绿光LED的输出功率。

      美国和日本的研究人员通过合作，通过采用具有圆柱孔的六角形阵列结构的衬底来替代现有的蓝宝石衬底，将可使绿光LED的输出功率达到原来的三倍。

      来自纽约Rensselaer Polytechnic Institute (RPI)的论文通讯作者C. Wetzel相信，其团队的工作可以推动高效率全频谱可见光LED的发展，将可使具有极高颜色质量、高效率LED照明的发展达到一个巅峰状态。从采用平面型衬底变换到采用具有250nm直径圆孔图案的衬底可提高LED的输出功率，并可以降低螺旋位错的密度。

      通过分析与绿色LED电致发光相关联的干涉条纹，研究者们相信经纳米图形化的衬底可在光捕获能力上较原先提高58%。

      虽然C. Wetzel团队已经记录了许多LED芯片的输出功率值，但是他们只考虑了小部分经图形化衬底的参数值，Wetzel认为，将肯定会对衬底图形化影响LED输出功率问题进行更为系统性的研究。他说：“我将不会对此感到惊讶，即在今后一年内LED输出功率可提升30%到50%，两年内可提高一倍”。

      氮化膜的透射电子显微镜TEM照片显示，蓝宝石衬底经纳米图形化后其螺旋位错密度从6.4×108cm-2降低到了3.6×108cm-2。

      结晶质量的提高源于刻蚀孔底部的螺旋位错的消失，该位错通常会因开口型空洞而自行终止。改变螺旋位错生长面的方向同时使其只能在生长面内扩展可以很好地抑制该种位错的产生。

      Wetzel说道：“我们所提到的螺旋位错密度是从平面视图上来讲的，事实上，两种不同视角的区别并不大”。根据Wetzel的理论，想要从本质上提高晶体质量，可以通过靠近衬底的剖面视图来获得相关信息。来自RPI和日本的Scivax团队，采用纳米压印光刻技术在蓝宝石衬底上获得了一个分布周期为450nm圆孔的六角形阵列。

      将经图形化衬底送入MOCVD设备，在衬底上沉积一层外延结构，它包括了由8个3nm厚的InGaN量子阱形成的有源区，它们由GaN势垒层进行隔离。

      一个经掺杂的、10nm厚的AlGaN电子阻挡层也是LED的一个构成部分。

      在这种经图形化的衬底上，人们可以制作大小为350μm×350μm、未经包封的器件，再采用一个平面型衬底器件作为参照。在驱动电流为30mA和100mA时，经衬底纳米图形化的LED在537nm波长和523nm波长所产生的输出功率分别为2.3mW和5.2mW，而平面型衬底的LED在543nm和527nm波长只能产生0.88mW和1.8mW的输出功率。

      Y. Li et al. Appl. Phys. Lett 98 151102