实用化光子晶体结构白光LED

文/刘登飞 胡集成 谢泽欣 林锦銮

近年来，有关光子晶体的研究不断深入发展，光子晶体对提升半导体LED出光效率，改善发光功率的重要作用已经得到了大量研究报道的肯定。但有关这一课题的研究多集中在长波长LED方面，较少有研究涉及到对白光LED出光效率问题的分析，且仅有研究多存在光子晶体面积小，工艺负载，以及缺乏实用性等一系列问题。为弥补上述研究局限，本文将光子晶体结构应用于白光LED出光效率的改善中，并设计了一种结构简单、可大面积应用、制作简便的光子晶体结构白光LED，总结形成了有关实用化光子晶体结构白光LED的制作工艺与方法，达到了利用光子晶体结构实现白光LED功率提升、效率提高的目的。

图1：三角晶格与方形晶格的二维光子晶体结构示意图

1 光子晶体结构白光LED设计实验

以常规LED结构为参考，设计制作的含光子晶体结构的白光LED。整个实用化光子晶体结构白光LED由蓝宝石衬底、N型GaN，GaN材料有源层、P型GaN、P型电极、焊接盘、N型电极、焊接盘、以及光子晶体区这几个部分构成。基于传统LED结构研制方法，制作实用化光子晶体结构白光基LED，加工工艺按照LED工作台面→敷设透明电极→光子晶体结构蚀刻→N型电极与P型电极制作加厚→引线键合的流程进行、首先，将光刻法与干法相结合，刻蚀形成LED加工制作所需操作台面；然后，将P型透明电极采用电子束蒸发法的方式敷设于台面上；再次，在有P型透明电极敷设的特定范围内，采用光刻法与干法相结合的方式刻蚀形成光子晶体结构；再次，制作形成N级电极并沉淀P、N型电机加厚电极部分；最后，引线键合处理后加工形成具有光子晶体结构的白光LED操作器件。

需要特别注意的一点是，光子晶体结构白光LED的制作形成必须以专用模板为基础，每一操作步骤所对应模板具有个体性的特征，而光子晶体模板正是其中非常重要的一个环节、有关实用化光子晶体结构模板的版图设计必须充分考虑其在结构、面积、占空比以及晶格常数等方面的特殊性。如图1所示为三角晶格与方形晶格的二维光子晶体结构示意图。结合图1，该光子晶体结构可以通过刻蚀材料表面形成空气孔的方式制作得到，可也以刻蚀形成柱状结构为标准。图1中光子晶体结构LED样本趋于大小为100.0×100.0um2，中间圆孔直径为50.0um，环形LED样品区域内径尺寸为100.0um，区域外径尺寸为300.0um。

2 光子晶体结构白光LED出光效率的提升

如图2所示为具有光子晶体结构的白光LED经平面波展开法的计算得到的平板能带图，白光LED材料直接生长在蓝宝石衬底上。其中，a、b对应的光子晶体结构为三角晶格形式，c、d对应的光子晶体结构则为正方晶格形式。结合图1，光子晶体结构所对应空气孔尺寸按照空气孔半径/光子晶体晶格常数的方法计算，分别为0.3、0.4、0.3、0.4。

图2：具有光子晶体结构的白光LED经平面波展开法的计算得到的平板能带示意图

在图2所示光子晶体结构白光LED平板能带图中，实线对应L-L，高于L-L以上模式为泄露模并耦合至自由空间。在归一化频率高于0.4的情况下，所有模式均表现为泄露模，这一频率范围内，所有自发辐射均以耦合的方式集中至自由空间模中，因此可实现能量的最大限度辐射。换言之，若平板结构材料发光范围位于泄露模区域范围内，则意味着该结构材料所对应的LED出光效率能够维持在较高水平。有报道中对比泄露模区域与带隙区域所对应的出光效率，分别为94.0%以上以及70.0%左右，更进一步证实了该区域对于提高出光效率的重要意义。本文中所设计白光LED，发光中心波长为460.0nm，与之所对应归一化频率为0.4，晶格常数为184.0nm。按照前文所述理论，泄露模区的覆盖范围为归一化频率>0.4区域。因此，在光子晶体结构的制作过程中，只要能够确保晶格常数达到184.0nm以上，则对提高白光LED的出光效率有积极作用。

也就是说，我们可以利用本文所提到的实用化光子晶体结构来提高白光LED整体出光效率，按照上文中的工艺方法加工研制形成的白光LED，其内部光子晶体结构能够有效调制自发辐射，最大消毒消除半导体LED平板中存在的传导模，通过自由空间与自发辐射耦合的方式，将传导模耦合形成泄露模，并结合泄露模的有关归一化频率取值范围指导光子晶体结构加工制作中晶格常数的控制标准，进而使最终制作形成的白光LED具有更好的出光效率。以上即研发实用化大晶格常数光子晶体结构以提升白光LED出光效率的核心原理所在。

3 结束语

为弥补当前现有报道中有关光子晶体结构改善半导体LED出光效率方面存在的不足，本文研究设计了可用于制作大晶格常数、大面积以及多构型的光子晶体结构白光LED，对各个加工制作步骤所需模板进行了设计研发，特别以光子晶体结构模板为重点，对其制作方法与工艺流程进行了分析，采用光刻与干法相结合的刻蚀加工工艺具有良好的可操作性与可推广性，整个光子晶体结构白光LED加工工艺具有实用性特点，能够为提高半导体LED出光效率开辟新的途径，值得引起业内人士的共同关注与重视。