第42卷第4期2021年4月
激光杂志
LASER JOURNAL
Vol.42,No.4
April,2021 GaN基LED芯片的光效提升研究 崔悦J许英朝'J刘春辉2，林苗茜-李洋洋-陈浩I
'厦门理工学院电气工程及其自动化学院，厦门361024；
2厦门理工学院光电与通信工程学院，厦门361024；
'厦门理工学院福建省光电技术与器件重点实验室，厦门361024
摘要:GaN基LED芯片具有制备工艺简单、低成本、良率高等优点，提高LED芯片的出光效率已成为国内外专家的研究重点。采用tracepro软件，并基于蒙特卡洛法对ITO表面具有微孔结构的LED芯片的光萃取效率进行模拟仿真，相比ITO层没有微孔结构的LED芯片，有微孔结构的LED芯片的光萃取效率有明显的 提升。通过光刻技术和湿法蚀刻技术制备ITO厚度为30nm的LED芯片，在ITO层制作周期微结构。通过光电性检测，在通入20mA电流时，相比IT0层没有微孔结构的LED芯片，有微孔结构的LED芯片样品的输出光功率分别提高3.9%、6.76%和4.66%，并在此基础上优化了的电极结构，使电流密度分布均匀得到有效提升。 关键词:LED芯片；ITO；tracepro；微孔结构
中图分类号:TN383文献标识码：A doi：10.14016/jki.jgzz.2021.04.031
Research ofluminous efficiency of GaN-based LED chip improvement
CUI Yue',XU Yingchao2'3,LIU Chunhui2,LIN Miaoqian1,LI Yangyang1,CHEN Hao1 1School of Electrical Engineering and Automation Xiamen University of Technology,Xiamen361024,China；
2School of Optoelectronics and Communication Engineering,Xiamen University of Technology,Xiamen361024,China；
3Fujian Key Laboratory of Optoelectronic Technology and Devices,Xiamen University of Technology,Xiamen361024,China
Abstract:The GaN-based light-emitting diodes(LED)have been comprehensively studied because of the benefits of easy preparation,reasonable cost and high production.The Monte Carlo method was simulated the light extraction efficiency of GaN-based LED chips by Tracepro software.The simulation of LED chips results shows that the micropore structure availably promotes the light output efficiency of LED chips.LED chips of the ITO layer with a thickness of30nm were fabricated by photolithography and wet etching.The experiment results show that the light output power of LED chips with different microporous structure undercurrent of20mA increased by3.9%, 6.76%and 4.66%compared with the LED chip with no microporous structure in the ITO layer.It is firmed that the periodic microstructure in the ITO layer can availably promote the output optical power of LED.The uniformity of the current density distribution was promoted by the electrode structure optimised.
Key words:LED chip；ITO；tracepro；microstructure
收稿日期：2020-ll-15
基金项目：福建省自然科学基金面上项目(No.2019J01876)；福建省教育厅中青年教师教育科研项目资助省属高校专项(No.JK2017036)；厦门市科技计划项目(No.3502Z20183060)；厦门市科技计划重大项目(No.3502ZCQ20191002)
作者简介：崔悦(1995-)，女，在读硕士生，主要研究方向为智能照明电器与光电子器件。E-mail：****************
通讯作者：许英朝(1980-)，男，教授，博士，硕士生导师，主要研究方向为从事光电器件与工艺研究、半导体照明技术与新能源等方面的研究。E-mail：ycxu@xmut.edu；376876168@qq 1引言
近年来，氮化稼基发光二极管(GaN LED)以其寿命长、可靠性髙、体积小、功耗低和响应速度快等诸多优点被广泛应用于固态照明、图像显示和光学通信等领域AS作为新一代髙效能固态光源，GaN基LED 的发光效率仍然远小于理论最大效率值［3'41o GaN
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32崔悦，等:GaN 基LED 芯片的光效提升研究
LED 的发光效率主要由器件的内量子效率和光提取
效率两个因素所决定，而LED 的发光效率主要取决
于外量子效率，而外量子效率主要取决于内量子效率 和光提取率“旳。目前内量子效率的提升通常是依靠
提高GaN 材料生长品质等方法来增加内量子效率，但
这一类方法成本较高因此，提高LED 芯片的出光
效率成为一个重要的研究课题。LED 芯片的出光效 率低的主要原因是因为LED 芯片表面的全反射所导 致⑻，为了解决这个问题，现阶段的研究者为打破平
者侧面制作微型几何结构。例如在LED 芯片的p-
GaN 层⑼、蓝宝石衬底问和垂直n-GaN 表面分别
进行粗化处理，来提高出光效率〔⑵。因此，国内外的
研究人员把焦点放在了对LED 芯片的ITO 层进行粗
化，例如美国密歇根大学的Kyeong-Jae B 等人采 用纳米印技术、Lee D 等人〔⑷采用纳米球光刻技术、
韩国全北国立大学的Mumta H M 等人采用镰纳米 粒子作为蚀掩模制作表面粗化结构均提高了 LED
芯 片的出光效率，但这些技术现阶段实现量产比较
困难。
采用tracepro 仿真软件对LED 绿光芯片的光提
取效率进行仿真，并采用LED 芯片生产线上的紫外
光刻技术和湿法腐蚀技术对ITO 层进行图形化处理,
形成周期性的圆孔微结构，制备LED 芯片。使LED
芯片的透明导电层通过这种微孔结构，能够有效地增 加出射光在界面处发生折射时入射角度的随机性，以
此可以减少光子在界面处发生全反射的机率，从而有
效地提高GaN 基LED 芯片岀光效率，并在此基础上 优化电极结构，使得电流分布更加均匀。
2理论分析和建模仿真
2. 1理论分析
光线从LED 芯片的有源层出射后在介质传播时
会出现反射现象和折射现象，其反射率R r 可由菲涅
尔定律表示为庞）：
_丄 r sin 2（^） tan 2（g-g-）l b 2 ［ sin 2（ 0+0'） tan 2（ 0+0'）］
上式中0表示入射角，矿表示折射角。把反射率
汉德森心与［0,1］范围内的随机数/?，进行比较，如果心＞
则光线将被反射，否则将会被折射。假设光线在
遇到界面之前的传播距离为1，则光线被材料吸收的
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概率心可以表示为：
心=2 （2）
上式中a 表示材料吸收系数。若把吸收率心与
［0,1］范围内的随机数尽进行比较，如果心＞仏，则 光线将被吸收，反之光线将向后继续传播，最终光萃
取效率为逃逸岀芯片的光线数与光源发出的总光线
数之比，且最终逃逸的光线会与观察面相交，在观察 面光线相交处打点的密集程度就表示出该打点处的
光强分布情况
2.2建模仿真
为模拟芯片出射的光线路径，根据芯片的实际尺 寸建立模型。采用tracepro 仿真软件对其IT0层具有
不同微结构的LED 芯片样品的出光效率进行仿真分
析。根据实际芯片的结构，通过CAD 软件分别对四
低碳世界期刊
种LED 芯片的三维图形进行绘制，绘制的LED 芯片 的尺寸为 550 pm * 600 p,m （22 mil * 24 mil ）。GaN 基
LED 芯片的模型图形如图1所示，图（a ）为未做改变
的传统正装LED 芯片、图（b ）为在IT0表面局部具有
圆孔微结构（半径为5 pm ）的LED 芯片、图（c ）在为
在IT0表面具有密集分布的圆孔微结构（半径为5
pm ）的LED 芯片和图（d ）为在IT0表面具有密集分
布圆孔的优化电极结构LED 芯片。其模型从上往下
依次为电极（Pad ）、透明导电层（ITO ）、P-GaN 层、量
子阱有源层（MQW ）、N-GaN 层和蓝宝石衬底（Sap
phire ）o
(c) Concentrated structure ( d) Optimized electrode structure
图1 ITO 表面不同周期结构阵列仿真模型
采用CAD 三维绘图软件绘制LED 芯片结构图
形，然后将模型导入tracepro 仿真软件中，并根据LED
芯片的实际结构对仿真模型中的各层参数进行设定
如表1所示。由于模拟的主要是LED 芯片的出光效 率，因此，将有源层的上下表面均设定为表面光源，假
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33
设光线从有源层随机产生，模拟的光线总条数为 10 000[,8]，即从上下表面各随机发出5 000条光线,
光线的波长均设定为461 nm ；设置电极对光线吸收率
为100%。在距离ITO 层200 nm 处放置一个半球形 的面探测器收集光线，用以模拟LED 芯片的出光 效率。
表1 Tracepro 仿真中各材料对应参数
Material
Thickness/p,m
Refractivity Absorption coeffificient/mm ~1
Saphhire 200
1.760N-GaN
4
2.4
8
MQW 0. 27 2. 548P-GaN 0. 33 2.4
8ITO
0. 05 1.8
24
Pad 2
//
2.3仿真结果分析
设置完参数后，接着点击光线追踪进行仿真，仿
真结果如图2所示，分别为四种样品的芯片辐照度/
光照度分析图。从辐照度/光照度分析图中的左侧图
条可以看出，从上到下的颜由亮到暗对应的是光线 的由强到弱。
W/m 20.003 80.003 2
0.002 4
0.001 6
0.000 8
(b) Local pore structure
0.001 6
0.000 8
0.002 4
(a)Ordinary structure
W/m 2W/m 20.003 8
0.003 20.002 40.001 6
0.000 8
0.003 8
0.003 20.002 40.001 6
0.000 8
(c) Concentrated structure ( d) Optimized electrode structure
图2四种样品的LED 芯片的辐照度/光照度分析图
由图以及计算可以得出四种不同IT0结构图形
的LED 芯片的光提取率如表格2所示，图2( a)的光
通量与发射光通量的比值为0. 110 16，即未做改变的
LED 芯片的光提取率为11.016%；图2中(b)、(c)、
(d)的光提取率分别为11.738%、11.656%和
11.333%。明显可以看出，IT0层具有圆孔阵列的三
种LED 芯片比IT0层未做改变的LED 芯片相比的其
光提取率有所提升高，且图(c)的光提取率最高，由此 可以看出，对LED 芯片的IT0表面制作圆孔微结构
可以提高LED 芯片的光提取效率。
表2四种不同IT0结构LED 芯片的光提取率
Light extraction Light extraction
efficiency
Sample
efficiency
Sample
A 11.016C 11.738B
11.656
D
11.333
3实验样品的制备
使用ICP 干蚀刻技术蚀刻出样品芯片的N 型台 面，其蚀刻深度为1 400 nm，然后通过PECVD 技术在 其表面沉积厚度为140 nm 的SiO 2，其主要目的是为
了阻挡电流直接从电极注入，使光能从电极的两边射
出，提高芯片的发光效率；利用电子束蒸镀技术在其
表面蒸镀镀厚为30 nm 的ITO，作为透明导电层帮助
电流扩散，降低电阻，以提高发光效率；通过紫外光刻
技术和IT0蚀刻技术制制作出模型对应的IT0图形 结构，并在520 °C 的氮气条件下退火30 min，和P-
GaN 形成良好的欧姆接触以达到降低电阻的目的；然
后蒸镀材料为Cr/Al/Ti/Pt/Au 金属薄膜电极，在其表
面沉积一层70 nm 的SiO 2作为钝化层，目的是为了防 止水汽和灰尘的污染；最后对蓝宝石衬底进行研磨和
抛光处理，并进行切割和劈裂程序将其制成单颗
芯片。
4测试结果与分析
为了更加直接地观察到不同样品的亮度的分布
情况，通过近场测试得到芯片发光效果图和光强
数据。
Cd/cm 21 020816
612408203
(a) Ordinary structure ( b) Pore structure
■
-_______1_______■ Cd/cm 2
■F
(c) Concentrated structure ( d) Optimized electrode structure
图4四种样品A 、B 、C 、D 进场光学测试图
因此，从四种样品中分别取样出一颗光电性正常
的晶粒，在通入20 mA 电流的情况下，对四种样品进 行了近场光学测试，如图4所示为样品A 、B 、C 、D 的
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34崔悦，等:GaN 基LED 芯片的光效提升研究
相对发光强度分布。从图4中可以看出相比未做改
变的LED 芯片对ITO 层进行微孔结构处理的LED 芯
片的亮度分布更均匀些，且通过电极优化的样品D 的
电流扩散更均匀。
将上述过程中制备出的LED 芯片通入20 mA 的
电流后，使用晶圆点测机对所有的单颗LED 芯片的
光学性能和电学性能进行测试，对测试的数据进行整
理，最终结果如下表3所示。
表3通入20 mA 电流时，四组样品的点测数据Sample
Vf/V Po/m W Wd/n m
A 2. 409
17. 59
36. 50%
549. 24B 2.4111& 2837.91%
456. 23C 2. 4321&78
3& 61%548. 32
D
2.311
1&4139. 83%
54& 56
当通入20 mA 电流时，四组样品的正向电压Vf 、
输出光功率Po 、岀光效率V 和波长Wd 点测数据如表
3所示。从表中得知，相比样品A，样品B 、C 、D 的输
出光功率分别提升提升3. 90%、6. 76%和4. 66% ，正
向电压分别升高0.002 V 、0.023 V，优化电极后的样
品D 电压下降0. 098 V o 样品B 、C 、D 相比样品A 的 出光效率均有所提升，这和仿真的结果一致，说明在
IT0表面制作微孔结构可以提高LED 芯片的出光 效率。非常e购
从制程完成后的芯片中选取电压、出光效率和波
段接近均值的单颗晶粒，探究对其光学参数和电学参
数进行测试。在注入20 mA 的电流时，样品A 、B 、C 、 D 的正向电压分别为2.409 V.2.411 V 、2.432和
2.311 V o 如下图5 （a ）所示为正向电压（Voltage ）随
注入电流（Injection current ）的变化特性曲线（I-V 曲
线）。从图中可知，四组样品的正向电压随着电流的
增大而增大，在注入相同电流的情况下，样品B 、C 的
正向电压均升高，这是因为通过湿法蚀刻的方法在
IT0表面蚀刻岀周期性的微结构会使得IT0薄膜的
有效面积减少从而增大电阻，这意味着在LED 芯片 的IT0层进行微孔结构的处理会造成电流拥堵（切导
致芯片电学性能的恶化。样品D 与其他样品相比电 压降低是因为优化后的电极面积增大，接触电阻减
小，一定程度上改善了 IT0微孔结构造成的恶化。
上图4（b ）为四组样品的输出光功率（Light out
put power ）随注入电流的变化特性曲线（I-Po 曲线）。
在注入20 mA 的电流时，四种样品的发光强度如（b ） 图所示，输出光功率分别为17. 59 mW 、l & 28 mW 、
18. 78 mW 和 18.41 mW 。注入电流在 0 ~500 mA 范
围时，输出光功率随注入电流的增大而增大，相比样
品A 的IT0表面没有微孔结构,IT0层具有微孔结构
的样品B 、样品C 和优化电极后的样品D 的输出光功
率都有所提升，这说明在led 芯片的IT0表面形成
周期微结构能够有效地提高LED 芯片的输出光功
率，这是因为对IT0进行孔洞处理后会减小光线发生
生态文明体制改革总体方案全反射的机率，使得更多的光线从IT0表面出射，从 而提高LED 亮度。
>amples
(b) I -P characteristics of the four types of LED samples
图4四种样品的的I-V 及I-P 曲线图
5结论
以GaN 基LED 绿光芯片为例，利用tracepro 软件
模拟了四种不同样品（样品A 未做改变的传统正装 LED 芯片、样品B 在IT0表面局部具有圆孔微结构
（半径为5 |xm ）的LED 芯片、样品C 在IT0表面具有
密集分布的圆孔微结构（半径为5 jim ）的LED 芯片、
样品D 为在IT0表面具有密集分布的圆孔微结构且
优化了电极的LED 芯片）的光萃取效率，并制备了这 四种样品并对它们的光电性能进行了比较分析。实
验结果表明，当通入20 mA 电流时，ITO 表面的微孔
结构可以有效提升GaN 基LED 芯片的输出光功率,
并且实验组样品C 的输出光功率最高，为
1& 78 mW，相比样品A 对照组提高了 6. 76%。
莫莉
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崔悦，等:GaN基LED芯片的光效提升研究35
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