晶片级光提取技术如何优化？

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：所以，忽略器件背面和侧壁的反射并假设量子阱内的光发射是全向的[1]，那么只有4%的光能够逃逸，大部分光在材料内被俘获。在大量的反射中，光线撞击顶部发射表面进入光提取锥的概率因表面的随机性而增加。图4-10 LED表面光子晶体的SEM图像和结构示意图，摘自文献[KIM 05]另一方面，光提取效率并不覆盖量子阱发光的全部光谱范围，因此降低了人们对此方法的兴趣。TFFC[SHC 06]和VTF[IBB 03]结构的提取效率接近80%。

为了增强光提取，有以下两方面的研究：一是电极的性质和几何形状；二是改变部分晶体的结构。

器件顶端厚金属电极的沉积使部分发射面变得模糊。解决方法是使用半透明接触或“蛛网状”电极缓解发射面面积不足的问题，并且仍可保证均匀注入。4.5节将更详细介绍这些解决方法。

光产生后，大部分光子在人察觉前又被材料俘获和吸收。根据著名的斯涅尔-笛卡尔定律[n₁sin（i₁）=n₂sin（i₂）]，易知只有射向23°（GaN的折射率约为2.5）光逃逸锥面的光线才能经表面从材料逃逸。所以，忽略器件背面和侧壁的反射并假设量子阱内的光发射是全向的^[1]，那么只有4%的光能够逃逸，大部分光在材料内被俘获。

研究人员提出了几种解决以上问题的方法。由于光发射近似是全向的，大部分光射向内层并完全损失，所以，可放置一个反射面，对发射波长（450nm）的光进行反射，使光射向发射顶面。

这种方法使用银或铝的反射层，原因将在4.5节中介绍。此外，FC、VTF、或TFFC结构的量子阱和反射层间的距离在数量级上与发射波长相同（几百纳米）。光提取效率可利用结构中的光共振腔效应[SHE 03]进行调节，方法是改变有源层和反射层间的厚度。考虑到厚度取值的精确性，这种方法对于大规模生产而言并不可行。

1973年，Bergh[BER 73]指出表面的粗糙化处理能够增加光提取效率（见图4-6和图4-7）。无论何种结构（CC、FC、VTF或TFFC），都可采用这种方法，但有效性有所不同。

其原理是基于入射光与发射表面间角度的随机性。在大量的反射中，光线撞击顶部发射表面进入光提取锥的概率因表面的随机性而增加。随后光线逃逸至自由空间。

20世纪90年代末，出现了几项与光子晶体有关的研究成果。由于材料内折射率的周期性改变，可形成光子能带结构，类似于晶体中电子能带结构。