CC BY
85
ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЕТОДИОДОВ С SiC ПОДЛОЖКОЙ,
ПОЛУЧЕННЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЛАЗЕРНОГО ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ВЫХОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Владимир Владимирович Чесноков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор-консультант кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: garlic@ngs.ru
Дмитрий Владимирович Чесноков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, заведующий кафедрой наносистем и оптотехники, тел. (383)361-08-36, e-mail: phys003@list.ru
Денис Вячеславович Кочкарев
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, инженер кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: denlnsk@mail.ru
Максим Викторович Кузнецов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант, техник кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: say1945@mail.ru
Валерий Андреевич Райхерт
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, ведущий инженер кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: vreichert@yandex.ru
Сергей Леонидович Шергин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: serkron@mail.ru
Приведены результаты экспериментального исследования методов увеличения внешнего квантового выхода излучения полупроводниковых светодиодов. Изучено влияние некоторых типов рельефов на излучающей поверхности светодиодов на эффективность выхода. Рельеф создавался на поверхности подложки из лейкосапфира и на поверхности чипа готового светодиода методами лазерной формовки.
Ключевые слова: внешний квантовый выход излучения, светодиод, поверхностный рельеф.
PROPETIES OF LED ON SiC SUBSTRATE WITH LASER FORMING OF OUTPUT SURFACE STRUCTURE
Vladimir V. Chesnokov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Doctor of Technical Sciences, Professor of Physics Department, tel. (383)361-08-36, e-mail: garlic@ngs.ru
Dmitry V. Chesnokov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Candidate of Technical Sciences, Chair of Nanosystems and Optical Engineering Department,
tel. (383)343-29-29, e-mail: phys003@list.ru Denis V. Kochkarev
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plahotnogo St., engineer of department of physics, tel. (383)3610836, e-mail: denlnsk@mail.ru
Maksim V. Kuznetsov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., technician of Department Physics, tel. (383)361-08-36, e-mail: say1945@mail.ru
Valery A. Raykhert
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., leading engineer of Department Physics, tel. (383)361-08-36, e-mail: vreichert@yandex.ru
Sergey L. Shergin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Candidate of Technical Sciences, Associated prof. of Physics department, tel. (383)361-08-36, email: serkron@mail.ru
The results of experimental investigation methods of increasing external quantum yield of radiation semiconductor LEDs are present. Effect of any cases of LED’s emissive surface reliefs on output efficiency are explore. The relief on leucosapphire substrate’s surface and ready-made LED chip’s surface was made by methods of laser forming.
Key words: external quantum yield of radiation, LED, surface relief.
В отечественной и зарубежной научно-технической литературе вопросы создания рельефных поверхностей и увеличения эффективности вывода излучения светодиодов широко исследуются. В работе [1] развит метод создания рассеивающего свет микрорельефа на внешней стороне подложек SiC для уменьшения потерь при выводе света из светодиодного кристалла, связанных с эффектом полного внутреннего отражения в структурах AlGaIn/GaN. Предложено использовать тонкие слои фоторезиста в качестве случайных масок для процесса реактивного ионного травления подложки из карбида кремния. Оптимизацией режимов травления на поверхности подложки SiC получен микрорельеф с требуемыми параметрами, что привело к увеличению внешней квантовой эффективности светоизлучающих кристаллов более чем на 25%.
В работе [1] исследовался лазерно-индуцированный рельеф на поверхности монокристаллического кремния, подвергшейся воздействию излучения пикосекундного Nd-YAG лазера. Структуры были получены под действием излучений с энергиями 0,7; 1,6 и 7,9 Дж/см2.Зарегистрировано получение двух типов микрополосок в форме прямых параллельных линий, пересекающих облучаемое пятно, и в форме нанополосок, близких к
концентрическим. В работе [3] рассматриваются вопросы повышения светоотдачи светодиодов за счёт увеличения эффективности выхода излучения из объёма кристалла. Широко применяются технологии случайного текстурирования слоя p-GaN и технологии профилированной сапфировой подложки. В последнем случае выращивание эпитаксиальных слоев GaN производится не на гладкой, а на подвергнутой микрообработке подложке, и рельеф границы «эпитаксия - сапфир» работает в качестве центров рассеяния или преломления, что снижает общее внутреннее отражение, а, следовательно, повышается эффективность светоотдачи.
Для повышения эффективности светодиодов прибегают к нанопрофилированию сапфира. Предпринимаются усилия по разработке технологии фотонных кристаллов - использовании периодических или квазипериодических структур с размерами, сравнимыми с длиной волны света, в качестве дифракционных решеток.
В работе [4] предложен усовершенствованный процесс, основанный на использовании наборов самоорганизующихся на поверхности фоточувствительного слоя полимерных наносфер, играющих роль наноразмерных сферических линз.
В статьях [5, 6] проведён анализ отличий светодиодов фирмы Cree, позволивший этим диодам занять монопольное положение на рынке. Cree традиционно использует технологию эпитаксиального выращивания раствора GaN на SiC подложках, Технология выращивания GaN на SiC обладает рядом принципиальных преимуществ перед технологией на сапфире. Во-первых, SiC обладает на порядок большей теплопроводностью (3,8 Вт/смК у SiC против 0,3 Вт/смК у сапфира). Это упрощает решение проблемы отвода тепла от активной области кристалла (p-n - перехода), являющейся ключевой для кристаллов с токами более 100 мА. Во-вторых, кристаллическая решетка 6H- SiC обладает лучшим по сравнению с сапфиром сродством с GaN, что принципиально снижает концентрацию дефектов и дислокаций в структуре GaN и повышает квантовый выход кристаллов.
Семейство кристаллов EZBright™ этой фирмы имеет ряд принципиальных технологических отличий, в числе которых стравливание SiC подложки со слоями GaN через маску до толщины 35 мкм с образованием микролинзовой системы, которая обеспечивает собирание светового потока с поверхности структуры.
В настоящем сообщении рассматриваются результаты экспериментального исследования методов увеличения внешнего квантового выхода излучения полупроводниковых светодиодов, обеспечиваемая некоторыми типами рельефов на выходной излучающей поверхности светодиодов, рельефная поверхность создавалась на поверхности пластины из лейкосапфира, помещаемой с иммерсией на светодиодном излучателе (гибридная конструкция светодиода), и на поверхности полупроводникового кристалла промышленного образца светодиода (монолитная конструкция)
Схематическое изображение гибридной конструкции
экспериментальных образцов светодиодных кристаллов приведено на рис. 1. В качестве материала прозрачной рельефной пластины использован лейкосапфир.
Этапы изготовления гибридной конструкции светодиодов и ход лучей показаны на рис. 2.
Рис. 1. Гибридная конструкция светодиода:
1, 2 и 3 - элементы светодиода, 4 - иммерсионная среда, 5 -прозрачная полированная пластина, 6 - рельеф на поверхности пластины
1 и 3 - электрические контакты к
светодиоду, 2 - полупроводниковый слой кристалла светодиода, 4 - слой
иммерсионной жидкости, 5 - накладная оптически полированная прозрачная плоско-параллельная пластинка, 6 -
элементы микро- или нанорельефа на прозрачной накладной пластинке Стрелки отображают ход лучей, возникших при работе светодиода в слое 2 и проходящих структуру гибридного светодиода.
Рис. 2. Этапы изготовления и ход лучей в элементах гибридной конструкции экспериментального образца светодиодного кристалла с рассеивающей рельефной поверхностью: а - элемент конструкции промышленного светодиода, светодиод подключён к источнику питания бдит; б - на поверхность светодиода наложена через слой иммерсионной жидкости прозрачная полированная пластинка; в - наложена прозрачная пластинка с рельефной поверхностью
Ход лучей в светодиоде, показанный на рис. 2, а, иллюстрирует причину малой эффективности вывода излучения из объёма кристалла. Лучи, падающие на выходную поверхность светодиода под углом более
критического угла полного внутреннего отражения (левые на рисунки лучи) отражаются обратно в кристалл и не выходят из него. Если угол падения меньше критического (правые лучи) падающий луч частично отражается, частично преломляется и выходит в окружающую среду. Лучи, вернувшиеся в кристалл, ухудшают эффективность светодиода, уменьшают его внешний квантовый выход.
При наложении на поверхность кристалла через слой иммерсионной жидкости прозрачной полированной пластинки (см. рис. 2, б) лучи входят в пластинку не преломляясь и не отражаясь, если показатели преломления кристалла, иммерсионной жидкости и накладной пластинки одинаковы. На поверхности накладной пластинки свет полностью отражается (левые лучи) или отражается и преломляется (правые лучи); эффективность выхода излучения из устройства остаётся, как у светодиода без накладной пластинки.
При наложении пластинки с рельефной поверхностью (см. рис. 2, в) излучение подвергается рассеянию на элементах рельефа, что приводит к нарушению полного внутреннего отражения и увеличению внешнего квантового выхода светодиода.
На рис. 3 показано распределение яркости на излучающей рельефной поверхности подложки из лейкосапфира гибридного светодиода. Рельеф выполнен в виде системы концентрических колец шириной каждое 25 мкм; поверхность внутри полосы кольца имеет вид неупорядоченной структуры с характерными размерами элементов порядка нескольких микрометров (рис. 4).
Сохранить в Excel
i % % % % ь. ■ щ -Щ '*У' ЛЬ у* ■ ’* \ \ ï 41 \ 11 * » 1 i 1 1 Щ \£
«S ¿5 i« f* ГС \ ± Щ г - >*1 «•
@ Р И ” Г to 2 Проводник - 0 Microsoft Office P... ) 3 MATIAB (R20... - Ц9 2 Microsoft Off i... • RU Мой компьютер n 16:19
Рис. 3. Распределение яркости на излучающей рельефной поверхности подложки из лейкосапфира гибридного светодиода (по строке № 672 изображения массива)
Рис. 4. СЭМ-фотография поверхности лёкосапфировой подложки после импульсного лазерного воздействия
Экспериментальные образцы светодиодных кристаллов монолитной конструкции получались переделкой промышленных светодиодов XPEROY-L1-0000-00 фирмы Cree, имеющих подложку из монокристаллического карбида кремния.
Конструкция экспериментального образца кристалла показана на рис. 5.
200-300мкм
Рис. 5. Конструкция экспериментальных образцов кристаллов светодиодов монолитной конструкции
На рис. 5: 1 - пластина монокристаллического карбида кремния толщиной 100 мкм, 2 - тонкослойная структура излучающей зоны светодиода, 3 - металлический электрод, образующий электрический контакт металл- полупроводник, 4 - металлический электрод , создающий электрический контакт к кристаллу, 5 - имеющийся на поверхности рассеивающий слой светодиода, 6 - окно с размером поперечника 200 - 300 мкм, вскрытое в рассеивающем слое, 7 - зона на подложке монокристалла карбида кремния, обработанная по разработанным лазерным методикам.
При вскрытии окна в рассеивающем слое светодиода обнажалась поверхность монокристаллической подложки карбида кремния.
Поверхность имеет вид матрицы микролинз диаметром каждая 6 мкм (микрофотография на рис. 6).
Эта поверхность при формировании поверхностной структуры экспериментального образца кристалла подвергалась лазерным обработкам, при этих обработках микролинзовая структура поверхности разрушалась.
Электрические соединения кристалла с выводами светодиода восстанавливались.
Рис. 6. СЭМ фотография поверхности монокристаллической подложки SiC светодиода фирмы Сгее во вскрытом окне в наружном покрытии излучающей поверхности кристалла. Видна микролинзовая структура
с линзами диаметром 6 мкм
По измерениям на электронном микроскопе высоты выступов рельефа над средней поверхностью обработанной лазерным воздействием лейкосапфировой подложки находятся в пределах 3 - 5 мкм.
Измерения яркостей в относительных одинаковых единицах проведены на измерительной установке и по методике, представленной нами в [7].
В таблице 1 приведены значения яркостей излучающих рельефной и плоской площадок выходной поверхности кристаллов светодиодов гибридной и монолитной конструкции и эффективностей вывода излучения.
Таблица 1
Измеренные относительные яркости излучающих рельефной и плоской площадок выходной поверхности кристалла светодиода
Конструкц ия Координата рельефной площадки Ь, нм Прямой ток диода, мА Яркость рельефной площадки, отн. ед. Яркость плоской площадки, отн. ед. Увеличение эффективнос ти*, %
Г ибридная 180 450 20 120 (30-50) 200
220 140 (50-60) 150
280 160 (60-70) 146
монолитна 120 550 20 175 130 35
я 190 46
190 190 120 58
270 200 130 54
1070 160 100 60
* - отношение разности яркостей к яркости плоской поверхности
В случае гибридной конструкции экспериментального образца светодиода измерялась яркость выходной рельефной поверхности прозрачной пластины из сапфира, являющейся излучающей поверхностью гибридного светодиода и, для сравнения, яркость плоской поверхности прозрачной пластины. В случае монолитной конструкции измерялась яркость обработанной лазерным излучением вскрытой поверхности светодиода и яркость не обработанной (не вскрытой) поверхности.
Результаты измерений и вычислений свидетельствуют, что в случае монолитной конструкции светодиодов внешняя квантовая эффективность увеличивается усреднённо по поверхности более чем на 50 %; в случае гибридной конструкции, в которой в качестве материала выходной излучающей поверхности применён сапфир с рельефной поверхностью, эффективность увеличивается в сравнении с плоской поверхностью, в (1,5-2) раза, т.е. на (50-100) %.
Таким образом, лабораторные технологии формирования поверхностных структур с применением лазерно-лучевого воздействия на поверхности позволяют получать поверхностный рассеивающий рельеф на лейкосапфире и карбиде кремния с максимальной достигнутой
эффективностью выхода излучения, в сравнении с не рассеивающей поверхностью, большей на (50-200) %.
Лазерно-лучевое воздействие вписывается в базовый технологический процесс изготовления светодиодов на карбиде кремния.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Увеличение квантовой эффективности флип-чип AlGaInN-светодиодов путем реактивного ионного травления внешней стороны подложек SiC / И.П. Смирнова и др. // ФТП. - 2010. - Т. 44, вып. 5. - С. 684-687.
2. Периодические структуры на поверхности кристаллического кремния, полученные при помощи Nd-YAG лазерных пикосекундных: импульсов на длине волны 532 нм / M.S. Trtica, et al. // Applied Surface Science. - 2007. - V. 254, I. 5. - P. 1377-1381
3. Ки Донг Ли, Сжодин Р., Эрикссон Т. Наноформовка увеличивает эффективность светодиодов // Полупроводниковая светотехника. - 2010. - №5. - С.22-24.
6. Selectively grown photonic crystal structures for high efficiency InGaN emitting diodes using nanospherical-lens lithography / Wei T.B. et al. // Appl. Phys. Lett. - 2012. - V. 101, N. 21. - P. 211111 - 211111-5.
5. Полищук А.Г., Туркин А.Н. Новое поколение светодиодов компании Cree для освещения // Автоматизация в промышленности. - 2008. - № 7. - С.20-23.
6. Туркин А.Н. Мощные светодиоды Cree для освещения: основные преимущества и перспективы применения // Полупроводниковая светотехника - 2009. - №2. - С.14-17.
© В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, Д. В. Кочкарев, М. В. Кузнецов, В. А. Райхерт, С. Л. Шергин, 2014
