浸入式微观孔洞增加LED输出

浸入式微观孔洞增加LED输出

皮质状图案的蓝宝石通过改进材料质量和提取效率提高蓝光LED亮度

两位台湾研究人员展示的蓝宝石的非周期、纳米级图案可以显著提高蓝色LED的输出功率。

新竹清大的Yu-Sheng Lin和Andrew Yeh在此基础上制作的器件可产生60%以上的峰值外量子效率，大约为控制样本的三倍。

Lin和Yeh率先实现的图案处理创建了形态类似人类大脑皮质的皮质状（cortex-like）纳米结构。Yeh表示：“LED的典型纳米结构包括纳米柱、纳米孔和纳米透镜——纳米图案以某种方式精心安排。我们报告的半随机模式可能会带来更好的性能和更低的成本。”

通过将氮化物外延层缺陷密度削减到一至两个数量级，以及源于创建蓝宝石GaN界面附近的空洞而增加的光提取效率，可以实现更亮的LED。这些空洞可减少内部反射。

衬底纳米图形化包括：

通过低压CVD在2英寸蓝宝石上沉积2微米厚的多晶硅层；用赖特溶液刻蚀该层30分钟以形成硬掩膜层；用感应耦合等离子体垂直刻蚀成蓝宝石10分钟，使用的是BCl₃/Cl₂混合物；以及最终用热氢氧化钾溶液除去硬掩膜（见图1）。

在这个图形化蓝宝石上形成的GaN缓冲层MOCVD具有80至150纳米结构，通常间隔为5至150纳米，图2是原子力显微镜的显示。氮化物薄膜的坑密度仅为10⁷至10⁸ cm²。

在这个缓冲层的顶部，研究人员用一个五周期InGaN/GaN作用区沉积了LED结构，并用镁掺杂GaN和AlN超晶格构造了一个30 nm厚电子阻断层。这种增长在一个起控制作用的传统蓝宝石衬底上重复进行。

晶圆级测量显示，在20 mA条件下皮质状图案可将输出功率从13.9 mW增加至33.1 mW。Yeh解释说：“蓝宝石衬底上制作的商业产品通常可下降20 mW至25 mW。”

纳米图案的蓝宝石上生长的LED的一个弱点是容易出现下降，可推动（Crank up）驱动电流至160 mA，而标准和新型LED架构可分别产生100 mW和160 mW。Yeh说，他和他的同事将继续开发效率更高的器件。此外，他们还将开发用于LED的非极性GaN外延层。

图1：采用皮质状纳米结构的纳米图案蓝宝石制作的四步过程包括：（a）在蓝宝石上沉积;（b）湿刻蚀这层膜;（c）用感应耦合等离子体、反应离子刻蚀创建蓝宝石纳米图案;（d）在氢氧化钾溶液中（80℃）去除硬掩膜。

图2：原子力显微镜揭示了蓝宝石上形成的非周期图案。

Y.-S. Lin et. al. Appl. Phys. Express 4, 092103 (2011)