关键词：
发光二极管
激光加工
湿法腐蚀
光提取效率
局域耦合效应
摘要：
过去几十年中,发光二极管(Light Emitting Diodes, LED)器件的研发取得了多项重大突破,内量子效率已经达到较高的水平。由于LED发光器件具有体积小、电光转换效率高、固态封装耐冲击等优势,因此业内普遍认为LED是新一代的照明以及显示器件。但由于化合物半导体材料的折射率较高,因此量子阱中载流子复合所辐射的光子在向器件外部出射时受制于半导体与外部媒介界面的全反射,只有约1/4n2的光可以出射到器件外部(GaN:n=2.5@460nm, ηext=4%; GaP:n=3.3@650nm, ηext=2.5%),其余光线在半导体薄膜内形成导模反复震荡,最终被半导体材料吸收耗散。因此,如何提高LED的光提取效率成为研究热点。有鉴于此,器件形状设计、表面粗化、光子晶体、图形衬底等技术被相继提出。在这些方法中,表面粗化由于具备加工面积大、生产成本低、光提取效率高、可控性高、重复性好等特点,在实际应用方面优势明显。
目前LED的表面粗化手段主要有干法刻蚀与湿法腐蚀两种,各有其优缺点。干法刻蚀技术对材料的要求较低,是一种普适的粗化方法,但这种方法在刻蚀过程中会引入杂质离子,产生杂质能级；湿法腐蚀受制于半导体的材料性质与缺陷特征,大多数材料湿法腐蚀后无法得到高效的粗化结构。
激光加工技术成本较低,并且可控性高,适宜大面积样品的加工制备。本论文将激光加工技术引入LED光提取图形制备领域,为此领域提供了一种新的思路与方法。同时在加工过程中,化合物半导体材料与光相互作用所变现出的一些新现象也具有一定的理论意义与应用价值。
本论文正文部分共有七章,依次为第一章绪论,第二章利用Ray-tracing仿真方法研究LED光提取效率,第三章利用激光表征技术对GaN外延层面内应力状态进行研究,第四章利用激光直写技术提高LED光提取效率,第五章利用激光辅助粗化技术提高AlGaInP四元LED的光提取效率,第六章局域耦合效应应用于激光辅助腐蚀技术的探索以及第七章结论与未来展望。主要研究内容包括：第二章：利用Ray-tracing仿真方法对不同结构的GaN、AlGaInP四元LED芯片光提取规律进行仿真分析并得到一定的结论辅助LED芯片的设计。利用仿真技术对光提取结构进行优化,为LED芯片表面粗化结构的调控提供建议。
1)利用ray-tracing仿真技术系统分析了GaN材料、GaP材料作为粗化结构媒介时,锥状粗化结构的光提取效率与其顶角大小之间的联系。在分别对以上两种材料进行了考虑吸收与不考虑吸收两种条件的仿真之后,结合芯片结构的实际情况推测GaN锥状粗化结构的最佳光提取顶角位于280附近,GaP锥状粗化结构的最佳光提取顶角位于19°附近。
2)利用ray-tracing仿真技术计算出同面电极结构、垂直电极结构GaN基LED芯片以及传统结构、换衬底结构AlGaInP四元红光LED芯片的光提取图形。
3)利用ray-tracing仿真技术得到的结果表明,应用Ag反射镜与Au反射镜LED芯片的光提取效率分别为16%与10%,Ag反射镜效果更佳。
4)利用ray-tracing仿真技术计算出同面电极GaN基LED与传统结构AlGaInP红光LED光提取效率与芯片尺寸的关系。
5) Ray-tracing仿真结果显示蓝宝石衬底同面电极GaN基LED芯片的光提取效率比碳化硅衬底同面电极GaN基LED芯片高51%。
6)以GaN基LED为例利用ray-tracing仿真技术计算出粗化结构分别安置于顶面、反射镜时的光提取效率。仿真结果显示,出光面粗化可以将LED的光提取效率提高86%,反射镜粗化可以提高光提取效率94%。如果同时将粗化结构安置于反射镜与出光面时,可以将光提取效率提高97%。
7)利用ray-tracing仿真技术对换衬底结构的AlGaInP四元红光LED中GaP
外延层的厚度进行优化,结合成本考量厚度最优值为8μm左右。
第三章：利用X射线衍射、拉曼光谱以及光致发光光谱三种手段对激光剥离前后的GaN外延薄膜面内二轴应力状态进行了测量与计算,结果证明激光剥离过程可以显著降低GaN外延薄膜的面内二轴应力。3第四章：搭建利用紫外激光与高速扫描振镜对LED外延片进行粗化加工的设备,并将此技术应用于不同结构的GaN以及AlGaInP四元LED芯片。对激光直写技术粗化加工后的LED器件光、电参数进行测量与分析。
1)设计搭建了利用全固态纳秒脉冲激光器搭配高速扫描振镜对LED外延片进行直写粗化加工的设备。
2)在GaN以及GaP材料体系中对激光输出功率与粗化深度的关系进行了探索。
3)借助一维热扩散方程对激光加工过程中引入的高温损伤进行了评估
