Создание микрорельефных поверхностей в просветляющих оптических покрытиях для повышения внешней квантовой эффективности синих светодиодов на основе GaN

УДК 621.382.032.21

Т.И. Данилина, П.Е. Троян, И.А. Чистоедова

Создание микрорельефных поверхностей в просветляющих оптических покрытиях для повышения внешней квантовой эффективности синих светодиодов на основе ОаМ

Работа посвящена исследованию возможности формирования микрорельефных поверхностей в просветляющих оптических покрытиях, нанесенных на ваК В работе предложено использовать в качестве просветляющих покрытий на ваК пленки 8Ю2, в которых формировалась микрорельефная поверхность с регулярной структурой с помощью электронно-лучевой литографии. С помощью электронно-лучевой литографии получен микрорельеф в виде наноост-рий с расстоянием между ними 500 нм с диаметром основания 284 нм, что соот-ветствует плотности наноострий 1,4-107 шт./см2.

Ключевые слова: просветляющие покрытия, микрорельеф, электронно-лучевая литография, наноострия.

В настоящее время разработка высокоэффективных мощных светодиодных кристаллов, излучающих в синем диапазоне, является одной из основных задач в исследовании полупроводниковых приборов на основе нитрида галлия и его твердых растворов.

Внешняя квантовая эффективность светодиодного кристалла определяется двумя основными величинами - внутренней эффективностью полупроводниковой гетероструктуры и эффективностью вывода света из светодиодного кристалла. Основным физическим эффектом, ограничивающим эффективность вывода света, является эффект полного внутреннего отражения на границе материала с высокой оптической плотностью (полупроводника) и материала с низкой оптической плотностью (сапфировой подложки и (или) воздуха). Для светодиодных кристаллов на основе 1пваЫ-гетероструктур критический угол составляет ~ 23° (показатели преломления ваК и сапфира соответственно 2,5 и 1,6), и, следовательно, вывод света с поверхности кристалла не превышает 5%.

Несмотря на большое количество работ, направленных на повышение внешнего квантового выхода излучения, наиболее эффективными способами преодоления этой проблемы представляются создание рассеивающих свет поверхностей и использование просветляющих оптических покрытий [1-4]. С целью создания микрорельефных поверхностей используются различные методы травления ваК, позволяющие увеличить внешнюю квантовую эффективность светодиодного кристалла до 20%. Недостатком этих методов является невозможность получения глубокого микрорельефа малых размеров на всей площади кристалла в силу ограниченности толщины слоев и-ваК (3-4 мкм) и ^-ваК (0,15-0,2 мкм).

Целью данной работы является исследование возможности формирования микрорельефных поверхностей в просветляющих оптических покрытиях, нанесенных на ваК, для повышения внешней квантовой эффективности синих светодиодов.

Для решения поставленной задачи было осуществлено моделирование и экспериментальное исследование оптических характеристик просветляющих покрытий на различных подложках.

Для получения максимального эффекта просветления для однослойных покрытий должно выполняться следующее условие:

2 _

И~1 — И0 * Ид ?

где щ - показатель преломления материала кристалла; щ - показатель преломления пленки, нанесенной на поверхность кристалла; и0 - показатель преломления окружающей среды. С другой стороны оптическая толщина просветляющего покрытия пй должна быть равна четверти длины волны, излучаемой кристаллом ваК, т.е. щй = Х/4, где X = 455 нм.

При моделировании оптических характеристик просветляющих покрытий в качестве материала подложек были выбраны стекло с показателем преломления равным 1,51, и ниобат лития (ЫКЬ03) с показателем преломления, равным 2,4, близкими по оптическим характеристикам к ваК.

Результаты моделирования оптических характеристик просветляющих покрытий представлены на рис. 1 и 2.

Для подложек из стекла оптическая толщина пленок с низким показателем преломления Бі02 (п = 1,41) и Бі02+С (п = 1,2) равна Х/4, а для пленок с высоким показателем преломления Та205 (п = 1,76), Ті02 (п = 1,97) и БіОх (п = 1,9) оптическая толщина равна Х/2.

"V *•

% 5...

1 * ' \ ' • "

V * • • у*

V < % к • 3, *

•V ч \ С* .г'

2

1

300 500 Л, нм

Рис. 1. Спектр отражения для подложки из стекла с различными просветляющими покрытиями:

1 - 8Ю2+С; 2 - 8Ю2; 3 - Та20з; 4 - 8ЮХ; 5 - ТЮ2

Г 1 Г 'і. і\

Л* \ \ 6,-

V *'

Л- ч> 5 -'4

и 4 V -— — 3

• — —

1

X;

300 500 Л,нм

Рис. 2. Спектр отражения для подложки из Ы№03 с различными просветляющими покрытиями:

1 - п = 1,55; 2 - 8Ю2; 3 - Та205; 4 - 8ЮХ;

5 - ТЮ2; 6 - 8Ю2+С

Лучшим просветляющим покрытием для подложки из стекла является БЮ2 + С (Я = 0%). Коэффициент отражения пленки БЮ2 равен 2%. Для всех пленок с высоким показателем преломления коэффициент отражения Я = 4,2%.

Для подложек из ниобата лития все пленки имели оптическую толщину Х/4. Согласно расчетам для подложки из ниобата лития нулевое отражение достигается при выборе слоев с показателями преломления и0 = 1, щ = 1,55, Их = 2,4. Получение пленок со строго заданным показателем преломления п1 = 1,55 представляет собой определенные трудности, поэтому с точки зрения практической реализации лучшим просветляющим покрытием для подложки из ниобата лития является БЮ2 (Я = 0,8%).

Для проведения экспериментов исследуемые пленки были получены магнетронным распылением соответствующих мишеней в различных средах: в среде Лг (БЮХ), Б1, Та, Т в смеси

Лг+02 (БЮ2, Та205, ТЮ2), сложная мишень из и углерода в среде Лг+02 (БЮ2+С). Толщину пленок и показатели преломления определяли с помощью лазерной эллипсометрии, спектры пропускания были получены с помощью электронно-оптического спектрометра иББ2000.

Из полученных спектров пропускания следует, что максимальная эффективность просветления на подложках из стекла достигается для пленок БЮ2 (коэффициент пропускания 99%). Коэффициент пропускания БЮ2+С на подложке из стекла при X = 455 нм равен 89%, что меньше, чем для БЮ2. Это не соответствует проведенным расчетам и может быть обусловлено сложностью технологии получения этих пленок.

Экспериментально было показано, что из всех исследованных покрытий (БЮХ, БЮ2, Та205, ТЮ2, БЮ2+С) на подложках из ниобата лития наиболее значительный эффект просветления наблюдается для пленок БЮ2.

В работе исследовались гетероструктуры 1пваК на ваК для синего светодиода, выращенные на сапфировых подложках толщиной 150 мкм (рис. 3). На верхнюю поверхность р-ваК осаждалась пленка БЮ2 с оптической толщиной, соответствующей 5Х/4, т.е. 400 нм для X = 455 нм.

Рис. 3. Схематическое изображение гетероструктуры ІпваМ/ваМ

На рис. 4 представлен спектр отражения гетероструктуры 1пваК на ваК с нанесенным покрытием из 8102.

Д,%

02 ОД 8 ОД 6 0.14 0Д2 ОД 0.080,06 0.04 0,02

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 ^

Рис. 4. Спектр отражения гетероструктуры 1пваК/ОаК с пленкой 8Ю2

Как видно из рис. 4, минимальный коэффициент отражения (Я = 0,5%) получен для длины волны X = 455 нм. На этой же длине волны установлено максимальное пропускание для данных гетероструктур.

Интерес представляет использование просветляющих оптических покрытий, имеющих микрорельеф в виде упорядоченной структуры. Из литературы известно, что оптимальный геометрический масштаб микрорельефа для достижения эффективного рассеяния света должен быть сопоставим с длиной волны излучения в полупроводниковом материале [5].

В работе исследована возможность создание микрорельефной поверхности регулярной структуры в виде наноострий в просветляющих покрытиях из БЮ2. На рис. 5 представлено изображение поверхности с наноостриями, выращенными с помощью электронно-лучевой литографии на установке ЯакЬ 150™°. Расстояние между наноостриями 500 нм, диаметр основания острия 284 нм, что соответствует плотности наноострий 1,4-107 шт./см2.

Микрофотография одиночного наноострия представлена на рис. 6. Высота наноострий определяется толщиной пленки БЮ2, которая должна быть кратной Х/4.

Разработанная технология позволяет создавать микрорельеф как на слоях п-ваК, так и на тонких слоях р-ваК без ухудшения параметров гетероструктуры. В этом случае повышение внешней квантовой эффективности происходит в результате уменьшения полного внутреннего отражения вследствие наличия микрорельефа в просветляющем оптическом покрытии из БЮ2.

ЩЖМ:*

ЕНТ  150 kV Signal А  SE2 D**9Jun2010

WO * 69mm Uw Name * OTEST Tim* 15:50 25

RAITHISq™ 200 n

Mag  40 00 К X

Рис. 5. Изображение поверхности с наноостриями

RAITH15Q^ 200 п

ом о ммг»

Mag = 100 00 К X_____

ЕНТ-10 00 kV Stgnai А = InLans Data

WD- 6 9mm U»*f Name » OTEST Tima

31 May 201C 11:40:53

Рис. 6. Микрофотография одиночного наноострия

Эксперименты показывают целесообразность включения процесса выращивания наноострий на просветляющих покрытиях SiO2 в технологический маршрут изготовления синего светодиода с целью создания рассеивающей свет поверхности.

Результаты моделирования и экспериментальные исследования показали целесообразность использования в качестве просветляющих оптических покрытий на GaN слоя SiO2, в котором сформирована микрорельефная поверхность с помощью электронно-лучевой литографии. Формирование микрорельефа в слое SiO2 позволит повысить внешнюю квантовую эффективность синих светодиодов при выводе света как через слой и-GaN, так и через тонкий слой ^-GaN.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в соответствии с договором 73/10 от 15.07.2010 в порядке реализации Постановления № 218 Правительства РФ.

Литература

1. Синие флип-чип светодиоды на основе AlGaInN с удаленной сапфировой подложкой / И.П. Смирнова, Л.К. Марков, Д.А. Закгейм и др. // ФТП. - 2006. - Т. 40, № 11. - С. 1397-1401.

2. Increase in the extraction efficiency of GaN-based light-emitting diodes via surface roughening / T. Fujii, Y. Gao, R. Sharma et al. // Appl. Phys. Lett. - 2004. - Vol. 84, N 6. - P. 855-857.

3. High internal and external guantum efficiency InGaN/GaN solar cells / E. Matioli, C. Neufeld, M. Iza et al. // Appl. Phys. Lett. - 2011. - Vol. 98. - P. 021102/1-021102/3.

4. GaN-based light-emmitting diode with textured indium tin oxide transparent layer coated with Al2O3 powder / T.K. Kim, S.H. Kim, S.S. Yang et al. // Appl. Phys. Lett. - 2009. - Vol. 94, N 16. -P. 161107/1-161107/3.

5. Увеличение квантовой эффективности флип-чип AlGaInN-светодиодов путем реактивного ионного травления внешней стороны подложек SiC / И.П. Смирнова, Л.К. Марков, Е.М. Аракчеева и др. // ФТП. - 2010. - Т. 44, № 5. - C. 684-687.

Данилина Тамара Ивановна

Канд. техн. наук, профессор каф. физической электроники ТУСУРа

Тел.: 8-960-971-27-43

Эл. почта: danti@ms.tusuг.гu

Троян Павел Ефимович

Д-р техн. наук, профессор каф. физической электроники ТУСУРа Тел.: 8-913-110-22-11 Эл. почта: tpe@ms.tusur.ru

Чистоедова Инна Анатольевна

Канд. техн. наук, доцент каф. физической электроники ТУСУРа Тел.: 8-913-810-44-25

Danilina T.I., Trojan P.E., Chistoedova I.A.

Fabrication of micro-relief surfaces in anti-reflection coatings in order to enhance the external quantum efficiency of dark blue light-emitting diodes based on GaN

This work is devoted to research of the opportunity of surfaces micro-relief formation in anti-reflection coatings deposited on GaN substrates. It is offered to use SiO2 films as anti-reflection coatings in which the micro-relief surface with regular structure is formed by means of electron beam lithograph. Using electron beam lithograph the micro-relief in the form of nanoedges with distance between them of 500 nanometers and the basis diameter of 284 nanometers. Thus the nanoedges density of 1,4-107 obj/sm2 is received.

Keywords: clarifying coverings, micro-relief, electron beam lithograph, nanoedges.