利用纳米压痕技术提高AlGaInP LED光提取效率的研究

摘要

在过去的几十年中，发光二极管(LED)作为高效节能的光源在交通信号灯、户外显示器、液晶显示屏(LCD)背光等得到广泛应用。最近几年有作为节能环保的室内光源在室内装饰等领域得到普及。目前，高亮度的红光LED主要由A1GaInP的合金半导体制成。通过改变AlGaInP合金半导体中各元素的比例，可以获得从红光到绿光的各种颜色的发光二极管。然而根据斯涅尔定律，平面结构LED的光提取效率η与材料的折射率n有η≈1/(4 n)2的关系，对于平面结构的AlGaInP LED来说从量子阱中发射出来的光子中只有大约2.3％能够射出。这大大限制了AlGaInP LED的光提取效率(LEE)。因此涌现了许多方法被用来提高LED的光提取效率，包括表面粗化，利用激光，电子束或离子束刻蚀进行表面图形化处理，图形化衬底和等离激元纳米结构等。这些方法的首要原则就是为光子开辟其他通道使其从LED表面逃逸。在现有的方法中，光子晶体LED将光从波导模式散射为辐射模式和利用光子带隙抑制某些波导模式两种方式来提高LED的光提取效率。而另一种常用的方法是使用图形化蓝宝石(PSS)一方面通过打断或者使位错弯曲来抑制GaN中位错密度，从而有效提高GaN蓝光LED的内量子效率;另一方面PSS衬底能够打破LED中的波导模式，使得由量子阱发出的光从LED芯片中逃逸，从而大大提高了光提取效率。
　　然而现有的方法中大多涉及复杂的化学过程或是需要昂贵的设备，从而限制了这些方法在实际制造LED中的广泛应用。因此需要一种简单快速同时便于广泛应用的技术用于提高LED光提取效率。在目前的主要方法中，直接利用力学方法对LED进行图形化结构处理的技术并未被涉及。压痕技术有着悠久的历史，最早可以追溯到HeinrichHertz在1880年代首先研究了两个轴对称物体相接触的实验。目前，压痕技术主要用来测试材料的机械性能例如硬度和表面硬度等。这种技术在制造纳米图形化结构上的潜力还没有被开发。
　　为了论证利用纳米压痕技术在AlGaInP LED表面GaP制备大面积周期性结构从而提高LED光提取效率，并利用化学方法进一步提高纳米压痕结构光提取效率影响的可行性，我的论文将分为以下四章进行论述，依次是第一章绪论，第二章利用纳米压痕技术提高AlGaInP LED光提取效率，第三章化学腐蚀辅助提高纳米压痕结构AlGaInP LED光提取效率，以及第四章结论与展望。其主要内容包括以下几方面:
　　(1)我首先阐述了传统的压痕理论，以及现代纳米压痕技术的理论基础.利用传统压痕理论，有助于我们研究压痕的形成过程以及压痕裂纹和塑性区域的分布，同时压痕应力场分布对压痕形成起到至关重要的作用。我们利用现代的纳米压痕测试技术测试了AlGaInP LED表面GaP窗口层的力学性能，并获得GaP窗口层的弹性模量和杨氏模量。依据测试结构，图形化蓝宝石被选定作为在AlGaInP LED表面实施压痕的大面积微纳米压头。
　　(2)通过制定精确的实施流程，根据选定的图形化蓝宝石，我们利用液压系统作为动力来源，在特制的模具中对AlGaInP LED进行纳米压痕处理。通过不断重复和调节液压系统的加载过程，我们在AlGaInP LED表面GaP窗口层获得了大面积周期性纳米压痕结构。对GaP窗口层的纳米压痕结构进行表征之后，我们认为该纳米压痕结构符合脆性材料的压痕理论，并且压痕结构的影响范围得到有效的控制。
　　(3)对进行过纳米压痕处理的AlGaInP LED进行的电学测试表明，虽然纳米压痕处理对AlGaInP LED的电学性质产生了一定的影响，即开启电压略微提高，动态电阻在低电流是也相应提高。然而当LED进入工作电压后，这种影响趋于减小，电学性质的差别并不明显。随后的光学测试表明，纳米压痕处理并未影响多量子阱(MQWs)的发光特性，即放射光波长及和半高宽没有变化。与此同时纳米压痕显著提高了AlGaInP LED的光提取效率。经过纳米压痕处理的AlGaInP LED发光强度提升到了原来的255％。
　　(4)在利用纳米压痕结构有效提高AlGaInP LED光提取效率的基础上，我们利用化学腐蚀方法对GaP窗口层的纳米压痕结构进行进一步处理。之前的研究表明氢氟酸和双氧水组成的混合腐蚀液能够腐蚀GaP窗口层，我们通过控制不同的腐蚀时间，研究了经过纳米压痕处理的AlGaInP LED的腐蚀情况。结果表明，超过2min的以上的腐蚀时间，对AlGaInP LED造成严重破坏，导致无法点亮。
　　(5)在前面研究的基础上，我们研究了分别腐蚀10s、30s和1min对纳米压痕AlGaInP LED光提取效率的影响。通过对进行过腐蚀的纳米压痕AlGaInPLED的光电性的测试表明，相对长时间的腐蚀对LED的电学性能造成了不良的影响。与此同时，当腐蚀30s时，纳米压痕AlGaInP LED发光强度再之前的基础上获得了最大21.2％的提高。
　　综上所述，本硕士论文研究了利用图形化蓝宝石作为纳米压痕压头在AlGaInP LED表面GaP窗口层制备了大面积周期性纳米压痕结构。利用这些纳米压痕结构在基本不影响LED电学性能的同时，显著提高了AlGaInP LED的光提取效率。在此基础上，利用氢氟酸和双氧水对纳米压痕结构进行腐蚀，并研究了腐蚀时间对纳米压痕AlGaInP LED性能的影响。发现相对短时间的腐蚀能够进一步提高纳米压痕AlGaInP LED的光提取效率。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．1．1 发光二极管的早期发展

1．1．2 Ⅲ-Ⅴ族复合半导体的发展

1．2 AlGaInP发光二极管的结构和基本性质

1．2．1 AlGaInP四元合金半导体

1．2．2 AlGaInP发光二极管的结构和工作原理

1．3 提高LED光提取效率的方法

1．3．1 图形化结构提高LED光提取效率

1．3．2 光辅助化学腐蚀提高LED光提取效率

1．3．3 其他方法提高LED光提取效率

1．4 研究目的和主要研究内容

参考文献

第2章 利用纳米压痕技术提高AlGaInP发光二极管光提取效率

2．1 引言

2．2 压痕理论及纳米压痕技术

2．2．1 压痕理论

2．2．2 纳米压痕技术及应用

2．3 GaP纳米压痕性质

2．4 在GaP窗口成制备大面积纳米压痕结构

2．4．1 实验步骤

2．5 结果与讨论

2．5．1 大面积周期性纳米压痕结构

2．5．2 纳米压痕结构对AlGaInP LED光电性质的影响

2．6 结论

参考文献

第3章 化学腐蚀辅助提高纳米压痕结构AlGaInP LED光提取效率

3．1 引言

3．2 实验步骤

3．3 结果与讨论

3．3．1 压痕结构

3．3．2 经过腐蚀的纳米压痕结构对AlGaInP LED光电性质的影响

结论

参考文献

第4章 结论与展望

4．1 主要结论

4．2 本论文的创新点

4．3 有待进一步开展的工作

致谢

攻读硕士期间取得的科研成果