Технология наноструктурирования увеличивает эффективность светодиодов

Рыночный спрос на светодиодную продукцию растет скачкообразными темпами, благодаря повсеместному использованию светодиодов в подсветке ЖК-телевизоров и потенциальной замене ими ламп накаливания и флюоресцентных ламп. Коммерческий успех светодиодов обусловлен неприрывным совершенствованием всех аспектов технологии изготовления светодиодов, охватывая выращивание эпитаксиального слоя, изготовление кристаллов и корпуса. Эффективность светодиода измеряется соотношением мощности светового излучения и количеством потребляемой им энергии и определяется четырьмя факторами: внутренней квантовой эффективностью, эффективностью светоизвлечения, электро эффективностью и состоянием корпуса. Внутренняя квантовая эффективность определяет, сколько нужно фотонов для образования электронно-дырочных пар и зависит в большей степени от качества эпитаксиального слоя. Эффективность светоизвлечения устанавливает, сколько из произведенных фотонов сможет покинуть световой прибор и зависит от кристалла и корпуса.

Традиционные подходы к увеличению эффективности

Благодаря высокому коэффициенту преломления полупроводниковой среды, светодиодные кристаллы изначально имеют низкую эффективность светоотдачи. Львиная доля произведенного света отражается во внутреннее пространство полупроводника, и лишь малая его часть выходит наружу. Выдвигалось много идей, как с помощью улучшения светоотдачи повысить эффективность всего светодиода. В производстве светодиодов приняты два основных подхода: технологии произвольного текстурирования и шаблонной сапфировой подложки. Для того чтобы решить, какой из подходов к светоотдаче более эффективен необходимо рассмотреть строение современного чипа. Светоидодные чипы разделены на 4 категории в зависимости от типа подложки и типа соединения. В кристалле стандартного светодиода (рис. 1а) слой p-GaN расположен на самом верху, рядом с p- и n-электродами. Эти электроды соединены с корпусом с помощью проводов. В перевернутом светодиоде (рис. 1б) сверху находится сапфировая подложка, а электроды присоединяются к подставке.

Хорошие преимущества в светоотдаче и рассеивании тепла дают удаление сапфирной подложки или использование проводящей основы. Обычно, для этого используется специальная технология «Laser-lift-off», которая удаляет сапфировую подложку с эпитаксиальных слоев. Таким образом, получается тонкопленочный светодиод. В вертикальном тонкопленочном светодиоде (рис. 1с) электрод n расположен сверху, а поддерживающий проводник работает как p-электрод. Еще одним преимуществом такого светодиода является вертикальное течение тока. Когда кристалл светодиода без сапфировой подложки соеденен с помощью специальной подставки, он наывается тонкопленочным перевернутым светодиодом. В этом случае оба электрода расположены на одной стороне как в стандартном перевернутом светодиоде.

Основным способом, использующимся в промышленности для повышения светоотдачи стандартного светодиода, является производное структурирование верхнего слоя p-GaN. Обычно, структурирование применяется во время выращивания эпислоя, в ходе процесса химического осаждения из газовой фазы с использованием металлорганических соединений (MOCVD). Этот метод экономически эффективен и не требует каких-либо дополнительных действий. Однако увеличение размера подложки, а также потеря пропускной способности и однородности могут создать определенные проблемы. В случае с перевернутым или тонкопленочным светодиодами слой n GaN расположен лицевой стороной вверх и для увеличения светоотдачи должен быть неровным или узорным. Для этого обычно применяется технология мокрого травления.

Большинство ведущих производителей сверх ярких светодиодов успешно пользуются этой технологией и, как известно,тонкопленочный перевернутый светодиод, у которого слой n GaN обработан по этой технологии обладает наивысшей (около 80%) на сегодняшний день светоотдачей.

Вместе с произвольным структурированием в современной светодиодной промышленности также широко используется и метод отформованной сапфировой подложки. Смысл заключается в том, чтобы вырастить эпислой не на плоской, а микроузорчатой подложке. Это дает как минимум два преимущества. Во-первых, благодаря низкой пропускной способности эпислоя, выращенного на узорчатой сапфирной подложке, увеличивается внутренняя квантовая эффективность. Во-вторых, так как узоры на поверхности эпислоя сапфира рассеивают и преломляют свет, уменьшая тем самым внутреннее отражение, повышается эффективность светоотдачи всего светодиода.

Наноформованные сапфирные подложки

Совсем недавно появилось несколько новых способов для увеличения коэффициента полезного действия светодиода. Они связаны с использованием нанотехнологий. Один из них — способ наноформованной сапфирной подложки(NPSS) является продолжением стандартного способа MPSS (микроформованной сапфирной подложки). Но так как NPSS-способ требует литографическое оборудование с гораздо более высоким разрешением, то для того, чтобы им воспользовались, он должен иметь значительные преимущества по сравнению со способом MPSS. Ряд исследований утверждает, что способ наноформованной сапфирной подложки эффективнее на 10-20%, однако ни один производитель светодиодов пока им не воспользовался.

Тем не менее, с точки зрения производственного процесса, NPSS способ имеет и дополнительные преимущества. По сравнению с MPSS, он имеет дело с гораздо меньшими по размеру схемами, а значит и времени на гравировку сапфира будет затрачено значительно меньше. То же самое касается и роста эпитаксиального слоя.

Не менее интересна идея комбинации NPSS способа с технологией laser-lift-off. Это позволит делать структурные узоры на вертикальных и тонкопленочных светодиодах без дополнительной гравировки и литографии. Более того, эпислой, произведенный NPSS способом, более качественный, а значит, может повысить эффективность всей светодиодной системы.

Технология изготовления фотонных кристаллов

Технология изготовления фотонных кристаллов разрабатывалась в течение длительного периода в качестве основной модели повышения эффективности светоотдачи. Ее идея в использовании периодических или квази-периодических структур, размером с длину световой волны в качестве дифракционной решетки для увеличения мощности выходного светового сигнала. Несмотря на обширные научные исследования и их апробацию в промышленности, широкого распространения в производстве светодиодов метод фотонных кристаллов пока не получил. Исследования дали весьма неоднозначные результаты, зависящие от строения и применения кристалла, метода инкапсуляции и так далее. В каких-то случаях они были лучше стандартных, а в каких-то нет. Недавно компания Philips Lumileds опубликовала доклад в журнале Nature photonics о том, что технология изготовления фотонных кристаллов с тонким (около 700 нм) n GaN слоем может обеспечить наивысшую эффективность светоотдачи. Технология фотонных кристаллов, вероятно, даст хорошее преимущество кристаллу светодиода с минимальным содержанием фосфора. В случае белых светодиодов, чьи кристаллы содержат фосфор, данная технология ощутимых преимуществ не даст. Достоинства метода сводятся на нет свойствами фосфора, который делает движение светового потока внутри кристалла непредсказуемым. Принимая во внимание все вышесказанное, можно предположить, что наиболее ощутимые преимущества данный метод даст в кристалле светодиода, излучающего свет прямиком в окружающее пространство. А такие преимущества, как хорошая пропускная способность, помогут компенсировать более высокие затраты на производство фотонных кристаллов.

Уже сегодня часть производителей светодиодов использует технологию ФК для увеличения выходной мощности света. Компания Luminus Devices использует ее в свермощных светодиодах, размещенных в проекторах и элементах подсветки ЖК-телевизоров.

Эпитаксиальное боковое приращивание (ЭБП)

Эпитаксиальное боковое приращивание не является новинкой, и уже давно используется в производстве синих светодиодов для лазеров. Идея заключается в том, чтобы встроить отформованные диэлектрики (SiO2 или SiNx) в слой n GaN. Они блокируют винтовые дислокации, не давая им преодолеть диэлектрический слой. Эпитаксиальные слои могут быть увеличены только через открытые площадки в диэлектрике, сливаясь друг с другом боковыми поверхностями. В результате чего значительно снижается плотность винтообразных искажений кристаллической структуры. Из-за высокой затратности технология ЭБП очевидно вряд ли придется по вкусу производителям светодиодов. Однако на нее вновь обратили внимание, так как считается, что она поможет решить ряд проблем, возникающих при создании светоизлучающих полупроводников. В ходе недавних исследований были изучены свойства наноформованных диэлектриков. Интересный факт — такой диэлектрик может работать как встроенный фотонный кристалл, и будет обладать лучшей светоотдачей, чем микроформованный. Также известны результаты, полученные для ЭБП с размерами в несколько нанометров. Однако из-за высоких производственных затрат эта технология вряд ли получит применение в крупносерийном производстве приборов на основе 2-х дюймовых сапфировых подложек. Однако грядущий переход к производству на основе пластин большего диаметра (4—6 дюймов) открывает для ЭБП более широкие возможности в свете повышения эффективности светодиодов.

Поверхностный плазмон

Поверхностный плазмон представляет собой частицу коллективного электронного колебания на поверхности металла. В нано размерах или наноформовочном металле этот эффект значительно увеличен. Поверхностный плазмон –наиболее обсуждаемая тема в области исследования нано фотонов. Она уже используется в коммерческих целях для биозондирования и исследования фотонных интегрированных цепей. Некоторые исследователи также доказали, что ПП способен увеличить коэффициент полезного действия солнечных батарей. Ряд исследований показал, что при использовании технологии поверхностного плазмона происходит увеличение эффективности светодиодного освещения.

Считается, что поверхностный плазмон способен взаимодействовать напрямую с электронно-дырочными парами в квантовых ямах(источники излучения света внутри светодиодного кристалла), тем самым увеличивая скорость рекомбинации излучения. Однако на практике существует одна проблема. Дело в том, что металлический слой должен находиться от области квантовой ямы на расстоянии в 100 нанометров. Когда металлический слой расположен на верху светодиода, это является сдерживающим фактором и означает, что слой p-GaN должен быть очень тонким, что в свою очередь затрудняет распределение тока.

Наноимпринтная литография

Наноимпринтная литография сулит для светодиодов большие выгоды. Наличие волнообразности и дефектов делает наноформовку подложек довольно сложной задачей. Методы оптической литографии не точны, электронная литография чересчур медленна и затратна, обычная наноимпринтная литография благодаря вышеуказанным дефектам также показала свою несостоятельность.

Разработанный шведской компанией Obducat процесс оттиска для наноформовки светодиодов состоит из двух основных этапов. На первом этапе штамп воспроизводится на подходящей пленке из мягкого полимера. Таким образом, получается промежуточный полимерный штамп. На втором этапе с его помощью изображение переносится на нужную подложку.

Еще одна технология фирмы Obducat — Soft press. Штамповка происходит при помощи сжатого воздуха, с распределенным давлением, обеспечивая таким образом равномерное прижатие всей поверхности штампа. Технология позволяет получить однородный и достаточно тонкий остаточный слой на большой площади. Это является исключительно важным для печати с высоким разрешением и точности переноса желаемого рисунка.

Учитывая требования к нанооттискам, предъявляемые производителями светодиодов, фирма Obducat разработала высокоэффективную установку наноимпринтной литографии Sindre (рис. 2), в которой реализуются все три вышеперечисленные технологии. Производительность машины — 30 пластин в час. На рисунке 3 показан оттиск на подложке GaN, полученный на системе Sindre 400.

Выводы и заключение

Для дальнейшего совершенствования светодиодных технологий наноформовка открывает много замечательных возможностей. Исследования по технологии фотонного кристала ведутся уже много лет, однако до сих пор не удалось снизить высокую, по сравнению с произвольным структурированием, стоимость процесса. Выход из данной ситуации видится только один-интеграция технологии фотонного кристалла с технологиями наноформовки сапфирной подложки и эпитаксиального бокового приращения. Наибольшие шансы для коммерческого успеха имеет технология наноформовки сапфирной подложки (НФСП), поскольку является продолжением существующей на данный момент технологии. Обнадеживающие результаты были получены в ходе многочисленных исследований. Возможно, эта технология таит в себе и другие преимущества перед микроформовкой сапфировой подложки, например, по технологии обработки. Экономичность в сочетании с прекрасным качеством открывает для наноимпринтной литографии прекрасные перспективы. Она будет играть решающую роль в развитии светодиодной промышленности и изготовлении нанооттисковых светодиодов высокой эффективности.

Рис. 2. Квазикристаллическая структура на эпитаксиальном слое n GaN под электронным микроскопом