摘要：随着高亮度GaN基LED在照明领域的广泛应用，提高LED芯片的发光效率成为一个重要的研究课题。LED芯片有源层产生的光从半导体材料向外出射时，受全反射效应的限制，只有少部分光能够辐射到自由空间。大部分光经过多次全反射后被半导体材料、有源层和金属电极吸收并转化成热量，严重影响芯片的出光效率。一种有效的方法是在芯片表面制造微结构，增加半导体材料与封装材料之间的界面发出光的角度的随机性，降低光全反射的概率，从而提高光输出的效率。
关键词：LED；ITO；表面粗化；出光效率
利用成熟的低成本技术，在现有的生产线上实现ITO粗化，提高gan基LED蓝筹的发光效率，是业界重要的研究课题。通过普通光刻技术和湿法腐蚀技术，实现ITO表面粗化，有效地提高了LED芯片的输出光功率。输入电流为20 mA时，ITO层制备密集分布的三角周期圆孔阵列后，芯片输出光功率提升11.4％，但正向电压升高0.178 V；微结构优化设计后，芯片输出光功率提升8.2％，正向电压仅升高0.044 V。小电流注入时，密集分布的三角周期圆孔阵列有利于获得较高的输出光功率。大电流注入时，这种结构将导致电流拥挤，芯片的电光转化效率衰减严重。
1 概述
对于传统正装GaN基LED芯片而言，p-GaN的粗化通常采用感应耦合等离子(ICP)刻蚀。由于p-GaN层一般仅300μm左右，ICP刻蚀容易产生等离子损伤。目前唯一可以在室温下对p-GaN进行湿法蚀刻的技术是光辅助电化学(PEC)腐蚀，但是PEC要求制备电极，对大批量生产不利。由于p-GaN的掺杂浓度较低，电阻值较大，通常在p-GaN表面沉积一层氧化铟锡(ITO)薄膜作为电流扩展层。因此，目前对传统正装GaN基LED芯片表面粗化的研究主要集中在ITO粗化上。当光波长与微结构的尺寸在同一数量级时。微结构对出光效率的提升最为显著。ITO的折射率约为2，蓝光LED的主波长典型值为460 nm，则ITO中主波长的光学长度约为230 rim。为在ITO上实现230 nm级别的粗化．在ITO上旋涂聚苯乙烯纳米球悬浮液。采用旋涂Ni纳米粒子分散液技术．采用氩离子激光全息光刻技术，采用纳米压印技术。但是，这些技术在产业界都尚未成熟。另外，由于良好的可控性和大面积的均匀性．大部分研究都使用ICP干法刻蚀技术将掩模图案转移到ITO实现粗化。如何使用GaN基LED蓝光芯片现有生产线上成熟且低成本的技术实现ITO粗化以提高芯片出光效率是产业界重要的研究课题。
2 图形化结构设计与器件制作
实验选取3片相同条件下生长的外延片，在GaN基蓝宝石衬底LED芯片生产线上分别制作3组样品。制备流程的区别仅在于ITO表面粗化时分别使用如图1所示的3块光刻掩模版，其他工艺完全相同。图1(a)是典型的用于蓝光LED芯片(10 mil X 23 mil)ITO层蚀刻的光刻掩模版，表面没有微结构。图1(b)是在ITO层制作密集分布的三角周期圆孔阵列的光刻掩模版，圆孔直径3μm，圆心间距6μm。由于圆孔在整个ITO表面密集分布，导致ITO的有效面积减少，从而会影响电流扩散，恶化芯片的电学性能。因此，根据实际芯片结构。综合考虑ITO对电流的扩散作用和材料对光子的吸收，优化设计如图1(e)所示的表面微结构。表面图案主要由大、小两种圆孔组成：小圆孔直径4μm，圆心间距10μm，呈三角周期排列；大圆孔直径20μm，分散在小圆孔阵列之中。
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图1用ITO表面粗化的3块此刻掩模板(a)普通平面结构；(b)密集分布的三角周期圆孔阵列结构；(C)优化设计的表面微结构
与图1(b)中的圆孔相比，图l(c)中圆孔直径较大，主要是考虑提高ITO层的透光率；而圆心间距较大，主要是考虑提高ITO的有效面积，增强电流扩散效应；在P电极附近区域，只去除焊盘下方的ITO以增强金属电极与p-GaN的黏附性，而保留其他部分以增强电流的扩散效应。选取的外延片结构自下而上分别为：蓝宝石衬底、厚度为30 nm的GaN缓冲层、2．3μm的非故意掺杂GaN层、2．4μm的si掺杂n型GaN层、18个周期2．5 nm／12．5 nm的多量子阱有源层、30 nm的P型A1GaN电子阻挡层和300 nm的Mg掺杂P型GaN层。芯片制备过程如下：首先采用ICP刻蚀出N型台面结构，通过PECVD沉积厚度为210 nm的SiO．作为电流阻挡层；接着电子束蒸镀厚度为230 nm的ITO作为透明导电层，分别应用如图1所示的3块光刻掩模板，通过普通光刻技术和ITO蚀刻液湿法腐蚀出相应结构，并在氮气环境、520℃条件下退火25 min；然后电子束蒸镀Cr／Pt／Au金属薄膜并结合剥离技术制备P电极和N电极；随后沉积70 nm的SiO：作为钝化层：对蓝宝石衬底研磨抛光后，经切割、裂片工艺制备成单颗芯片。采用3块光刻掩模版制备的3组样品分别命名为样品A、样品B和样品C。样品A是ITO无粗化的普通芯片。样品B是在ITO层制作密集分布的三角周期圆孔阵列的芯片，圆孔直径约3．8μm。样品C是在ITO层制作优化设计的微结构阵列的芯片，其中大圆孔直径约21μm，小圆孔直径约5μm。与图1(b)和(C)所示的光刻掩模版相比。实际制备得到的圆孔尺寸略有增加，这是因为湿法腐蚀时间过长导致的。
3 器件测试结果
采用配有半积分球的全自动晶圆点测机(型号LEDA一8F P7202)对上述3组样品的光学参数和电学参数进行测试。在输入电流相同的情况下，相比ITO无粗化的样品A，具有ITO表面微结构的样品B与样品C的输出光功率都有所提升。这说明ITO表面微结构能有效地提高LED芯片的输出光功率，其原因是表面微结构可减少ITO与空气分界面、p-GaN材料与ITO分界面光线发生全反射的几率。值得注意的是，输入电流较小时。样品B的输出光功率较大；输入电流较大时，样品C的输出光功率较大。另一方面，在输入电流相同的情况下，相比样品A，样品B与样品C的正向电压都有所升高．而且样品B正向电压升高的幅度较大。这说明在ITO层制备微结构，减小ITO的有效面积，将增大芯片的串联电阻，恶化芯片的电学性能。优化设计后的样品C具有更优的电流扩散能力，ITO粗化引起的电压上升的幅度也较小。输入电流为20 mA时．3组样品的正向电压Ⅵ、输出光功率P。和主波长A。相比样品A．样品B的输出光功率提升11．4％。正向电压升高0．178 V；样品C的输出光功率提升8．2％，正向电压仅升高0．044 V。相比样品B，样品C的输出光功率有所下降，但也较好地抑制了正向电压的升高。样品B的出光效率随输入电流的增加而下降较快，即芯片发光效率的衰减严重；当输入电流大于65 mA时，样品B的出光效率已经小于样品A，这说明由于电流拥挤效应，较大一部分的能量已经转化为热量。而样品c的出光效率随输入电流的增加而下降的趋势较为缓慢．更适合在大电流下工作。
总之，经过优化设计的表面微结构具有更优的电流扩散能力、较高的电注入效率和较低的正向电压，所以具有更高的出光效率：而且出光效率随输入电流的增加而衰减的趋势较为缓慢，更适合在大电流下工作。
参考文献：
[1]张英，关于ITO表面粗化提高GaN基LED芯片出光效率.2018.
[2]刘东平，ITO表面粗化提高GaN基LED芯片出光效率的分析.2018.