Современные светодиоды

Применение полупроводников с текстурированной поверхностью

Другим эффективным способом повышения коэффициента опти­ческого вывода светодиодов является применение полупроводников с шероховатой или текстурированной поверхностью. В работах Шнитцера и др. (Schnitzer et al. 1993) и Виндиша и др. (Windisch et al., 1999, 2000, 2001, 2002) было показано, что для инфракрас­ных светодиодов GaAs при применении таких материалов возможно улучшение внешнего квантового выхода до 50%. В работе Зинцингера и Янса (Sinzinger, Jahns, 1999) подробно обсуждаются свойства полу-

проводников с микроструктурированными поверхностями и способы их изготовления 0.

После первоначальных положительных сообщений об улучшении коэффициента вывода в светодиодах с текстурированными поверхно­стями, оптимизм разработчиков несколько снизился, поскольку выяс­нилось, что в процессе размещения полупроводниковых кристаллов в полимерном корпусе все эти преимущества теряются и только бес - корпусные диоды данного типа показывают усиление интенсивности излучения.

Позднее появилось еще несколько сообщений об увеличении коэф­фициента вывода излучения в светодиодах на основе GaN с сильно тек­стурированными поверхностями, получаемыми методом жидкостного химического травления. До этого в течение многих лет считалось, что GaN не поддается жидкостному травлению никакими химическими ре­агентами. Однако было показано (Stocker et al., 1998а), что, хотя грань с кристалла GaN действительно не поддается травлению, на грани а и то можно воздействовать многими химическими реагентами, например горячими растворами КОН и Н3РО4. Было также показано (Stocker et al., 1998b, 2000), что указанные реагенты по своей природе являются органическими кристаллами. Именно это обстоятельство позволяет им создавать пирамидальные структуры, сглаживающие поверхности на атомном уровне до состояния, пригодного для изготовления лазеров. Формировать существенные шероховатости на поверхностях кристал­лов GaN можно методами жидкостного химического и фотоэлектрохи- мического травления. На рис. 9.8 показан микроснимок поверхности GaN с большой шероховатостью (Haerle, 2004).

На рис. 9.9 показано увеличение интенсивности излучения светоди­ода InGaN с сильно выраженной текстурой поверхности (см. рис. 9.8), связанное с ростом коэффициента оптического вывода (Haerle, 2004). Утверждается, что полученное увеличение выходной мощности состав­ляет ~ 40-50 %. Аналогичные результаты были описаны и в других

работах (Gao и et al., 2004; Fujii et al., 2004). Из рис. 9.9 также следует, что интерференционные структуры, наблюдаемые в спектрах светодио­дов GaN с гладкими поверхностями, практически полностью отсутству­ют в диодах с текстурированными слоями. Наличие на спектральной характеристике интерференционной модуляции связано с формирова­нием в структуре светодиода резонатора Фабри-Перо, отражателями которого являются границы раздела GaN — воздух и сапфир — GaN (Billeb et al., 1997) 9.

На рис. 9.10 представлены схемы волноводов с гладкой, слабо тек­стурированной и сильно текстурированной поверхностью. Рис. 9.10, а соответствует волноводу с зеркальной поверхностью, за пределы кото­рого оптические моды выйти не могут. В волноводе с сильно тексту­рированной (ламбертовой или диффузной) поверхностью (рис. 9.10, в) при каждом взаимодействии световой волны с поверхностью пределы волновода покидают один или несколько фотонов. Промежуточный случай показан на рис. 9.10,6. Поскольку интенсивность выходящего с поверхности излучения зависит от степени ее шероховатости, жела­тельно уметь количественно оценивать этот параметр. Способ количе­ственной оценки рассеивающей способности различных поверхностей будет обсуждаться в гл. 10.

При изучении поверхностей кристаллов из InGaN при помощи элек­тронного микроскопа было выявлено, что сильно текстурированные поверхности имеют белый цвет (Nichia, 2005). По этому признаку мож-

но определять диффузные поверхности, характеризующиеся сильным рассеянием.