齊趙毅， 胡曉龍， 王 洪*

(1. 華南理工大學(xué) 廣東省光電工程技術(shù)研究開發(fā)中心， 廣東 廣州 510640；2. 華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院， 廣東 廣州 510640)

GaN基薄膜LED倒裝芯片表面結(jié)構(gòu)設(shè)計及光萃取效率研究

齊趙毅1,2， 胡曉龍1， 王 洪1,2*

(1. 華南理工大學(xué) 廣東省光電工程技術(shù)研究開發(fā)中心， 廣東 廣州 510640；2. 華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院， 廣東 廣州 510640)

利用FDTD方法研究具有表面微納結(jié)構(gòu)氮化鎵基倒裝薄膜LED芯片的光萃取效率。通過優(yōu)化表面結(jié)構(gòu)并研究了器件的光萃取效率隨p-GaN層厚的變化。研究發(fā)現(xiàn)，具有表面光子晶體和六棱錐結(jié)構(gòu)的器件的光萃取效率最大值比無表面微結(jié)構(gòu)器件分別提高了56%和97%。盡管兩種表面結(jié)構(gòu)都能有效提高器件的光萃取效率，然而采用光子晶體的方案對p-GaN厚度和腔長要求極為苛刻。采用六棱錐結(jié)構(gòu)則不僅可以獲得更高的光萃取效率，并且還將大大降低實驗上材料外延生長及器件制備的難度。

倒裝薄膜LED； FDTD； 光萃取效率； 光子晶體； 六棱錐

1 引 言

氮化鎵基發(fā)光二極管(Light-emitting diode，LED)具有功耗低、壽命長、可靠性好等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于信號燈、背光源顯示、汽車照明及室內(nèi)照明等領(lǐng)域[1-3]。LED芯片結(jié)構(gòu)有3種，分別為正裝結(jié)構(gòu)[4-5]、倒裝結(jié)構(gòu)[6-7]和垂直結(jié)構(gòu)[8-9]。倒裝薄膜LED(Flip-chip thin-film LED，F(xiàn)C-TFLED)作為一種倒裝和薄膜技術(shù)的衍生物，因具有良好的電學(xué)性能(n型通孔設(shè)計)、高出光效率(出光面無遮擋電極)、高散熱性(散熱優(yōu)良的基板)等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在大功率LED芯片的制備中[10-14]，在汽車前照燈及室內(nèi)照明市場潛力巨大。影響LED芯片發(fā)光效率的因素有內(nèi)量子效率和光萃取效率(Light extraction efficiency，LEE)[15-16]。內(nèi)量子效率主要由材料的生長條件決定，而光萃取效率則由器件的結(jié)構(gòu)決定。

目前提高LED光萃取效率的方法有諧振腔[17]、光子晶體[18-19]、表面粗化[20]等，這幾種方法同樣也適用于制備倒裝薄膜LED芯片。其中，光子晶體是一種介電常數(shù)隨著結(jié)構(gòu)周期性變化的微結(jié)構(gòu)，當(dāng)光子晶體的周期結(jié)構(gòu)尺寸與傳導(dǎo)進入光子晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)的光波長在一個數(shù)量級時，就可以在方向和角度上對光進行有效調(diào)制，因而可以提高LED芯片的光萃取效率[21-22]。Ryu等[23]利用FDTD算法分析了ITO表面的光子晶體結(jié)構(gòu)，使得LED的光萃取效率增強了91.67%。Wierer等[24]在倒裝薄膜LED芯片上制作了六角排列的光子晶體結(jié)構(gòu)，光萃取效率達(dá)到73%。在倒裝薄膜LED內(nèi)部，底層反射鏡和頂部空氣界面之間構(gòu)成了半導(dǎo)體平板微腔結(jié)構(gòu)，內(nèi)置其中的光源輻射的光在上下兩個界面發(fā)生反射，反射光在微腔內(nèi)部形成干涉，使得能量主要集中在特定的微腔模式上。合理的微腔結(jié)構(gòu)可以使更多的能量聚焦到LED表面的逃逸角錐內(nèi)而輻射到空氣中，因此倒裝薄膜結(jié)構(gòu)LED相比早期的普通結(jié)構(gòu)LED有更高的出光效率[25]。Yang等[26]優(yōu)化倒裝薄膜LED的腔體結(jié)構(gòu)厚度，使得光萃取效率提高了36%。當(dāng)內(nèi)置微腔結(jié)構(gòu)內(nèi)的光源輻射的光傳播到上表面時，由于LED芯片GaN材料與封裝介質(zhì)的折射率差的原因，光的出射角度較小。一個有效的解決辦法是利用KOH溶液對LED芯片表面進行粗化，增加光線在分界面人射角的隨機性，減少光線發(fā)生全反射的幾率[27-28]。Lin等[29]利用激光蝕刻與化學(xué)腐蝕方法在倒裝薄膜LED芯片表面制作微納結(jié)構(gòu)，光功率提高了13.08%。

本文首先對GaN基倒裝薄膜LED芯片的p-GaN層厚度和諧振腔腔長進行優(yōu)化，使器件的光萃取效率提高至0.34。接著，研究了p-GaN層厚度對具有表面光子晶體和六棱錐結(jié)構(gòu)器件的光萃取效率的影響，并分別優(yōu)化了不同腔長情況下的兩種器件的光萃取效率。研究發(fā)現(xiàn)，外延層p-GaN厚度對具有表面光子晶體結(jié)構(gòu)器件的光萃取效率影響很大；而當(dāng)采用表面六棱錐結(jié)構(gòu)時則影響大幅降低，在不同p-GaN厚度情況下都能擁有較高的光萃取效率。對于表面光子晶體結(jié)構(gòu)器件而言，只有短腔長才能實現(xiàn)高的光萃取效率。優(yōu)化后具有表面光子晶體和六棱錐結(jié)構(gòu)器件的光萃取效率最大值分別達(dá)到0.50和0.67，比無表面微納結(jié)構(gòu)器件分別提高了56%和97%。

2 仿真模型建立

FDTD算法被廣泛應(yīng)用于計算有限幾何結(jié)構(gòu)的光學(xué)現(xiàn)象。FDTD算法利用改良后的麥克斯韋方程組進行計算。它采用中心差分近似法，由微分形式的麥克斯韋旋度方程出發(fā)進行差分離散，進而獲得一組時域遞推公式。 圖1(a)為倒裝薄膜LED芯片的二維結(jié)構(gòu)圖。該結(jié)構(gòu)由n-GaN、多量子阱(MQW)、p-AlGaN、p-GaN和反射層組成。其中n-GaN和p-GaN層的折射率為2.43，消光系數(shù)為1.5×10-3；MQW厚度為10 nm，折射率為2.75，消光系數(shù)為0.02；p-AlGaN厚度固定為30 nm，折射率為2.5，AlGaN層的吸收帶邊遠(yuǎn)離發(fā)光波長區(qū)域，消光系數(shù)設(shè)置為0；倒裝薄膜LED芯片的底部反射鏡金屬Ag的厚度設(shè)置為200 nm以保證反射鏡的反射效果，Ag反射鏡的折射率為0.14，消光系數(shù)為2.56。發(fā)光源采用電偶極子光源，位于MQWs層中間，方向如圖1(a)所示，光源的發(fā)光波長λ=(455±10)nm，邊界條件為完美匹配層(PML) 邊界條件。量子阱有源區(qū)的發(fā)光大部分都是TE方向(即圖1(a)所示偶極子的方向)的輻射光，因此，在研究中主要計算了偶極子為水平方向的情況[18]。計算中設(shè)置兩組功率探測器Eup和Esource，分別放在頂部靠近邊界處和電偶極子四周；仿真面積為20 μm×20 μm；為保證仿真結(jié)果的正確性和精確性，最小網(wǎng)格尺寸設(shè)為2 nm。接著在上述基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上引入如圖1(b)和圖1(c)所示的光子晶體和六棱錐兩種表面結(jié)構(gòu)，位于倒裝薄膜LED芯片n-GaN層表面。光子晶體和六棱錐兩種結(jié)構(gòu)的材料為n-GaN，光子晶體可以通過納米壓印及干法刻蝕獲得，六棱錐結(jié)構(gòu)可以通過堿性溶液對N極性面的n-GaN進行腐蝕獲得。

圖1 (a)倒裝薄膜LED芯片的FDTD仿真結(jié)構(gòu)圖；(b)光子晶體結(jié)構(gòu)圖；(c)六棱錐結(jié)構(gòu)圖。

Fig.1 (a) FDTD simulation model of the flip-chip thin-film LEDs. (b) Schematic diagram of photonic crystals. (c) Schematic diagram of hexagonal cone.

3 結(jié)果與討論

3.1 無表面微納結(jié)構(gòu)器件的光萃取效率

如圖2所示為倒裝薄膜LED芯片的光萃取效率隨p-GaN厚度的變化情況。在該模擬中，n-GaN層厚度為2 500 nm并保持不變，p-GaN厚度則從150 nm變化到350 nm。從圖中可以看出，隨著p-GaN厚度的增加，LED的光萃取效率呈現(xiàn)周期性振蕩，振蕩周期約為100 nm。其主要原因是內(nèi)置MQW中的電偶極子輻射光在n-GaN/空氣和p-GaN/Ag兩個界面之間形成振蕩，使芯片的光萃取效率也呈現(xiàn)為周期性振蕩分布。如圖2(a)所示，當(dāng)處于周期振蕩波節(jié)時，LED的光萃取效率僅為0.03；而處于波腹時，其光萃取效率高達(dá)0.25。為此，選取光萃取效率為極大值點(p-GaN厚度為260 nm)對諧振腔腔長L進行優(yōu)化，這里主要通過變化n-GaN層厚度實現(xiàn)腔長改變。LED光萃取效率隨諧振腔腔長的變化情況如圖2(b)所示。從圖中可以看出，光萃取效率隨腔長變化的振蕩周期為100 nm，而光萃取效率隨腔長變化的振蕩幅度明顯要小于隨p-GaN的變化。這主要是因為光源離反射Ag鏡的距離(p-GaN的厚度)較小，從而使得p-GaN的厚度變化對光萃取效率的影響很大。隨著腔長的增加，光萃取效率在整體上有一個逐漸下降的趨勢。其原因一是因為腔長增加，吸收變大；二是腔長增加使得腔體內(nèi)的諧振效應(yīng)降低，從而影響器件的光萃取效率。通過上述結(jié)果可以知道，諧振腔腔長的變化會使倒裝薄膜LED的光萃取效率呈現(xiàn)振蕩性變化，并且p-GaN層厚度的變化對光萃取效率的影響極大。而諧振腔腔長也應(yīng)盡量薄，一方面減少對光的吸收，另一方面則會增強器件的諧振效應(yīng)。

圖2 倒裝薄膜LED的光萃取效率隨p-GaN層厚度(a)和諧振腔腔長(b)的變化。

Fig.2 LEE of FC-TFLED as a function of the thickness of p-GaN layer(a) and the cavity length (b)

因此，本文對不同腔長的器件結(jié)構(gòu)進行研究，其中腔長為2 800 nm的代表長腔長器件，而腔長為840 nm的代表短腔長器件。

3.2 具有不同表面微納結(jié)構(gòu)的長腔長器件(L=2 800 nm)的光萃取效率

圖3(a)所示為光子晶體LED芯片的光萃取效率隨光子晶體周期a的變化情況。在光子晶體周期從100 nm到1 000 nm的變化過程中，LED芯片的光萃取效率表現(xiàn)為無序的振蕩性變化，最大值出現(xiàn)在晶體周期為100 nm處，該處光萃取效率達(dá)到25.7%。圖3(b)為光子晶體LED芯片的光萃取效率隨光子晶體高度h的變化情況。其中光子晶體周期為100 nm，光子晶體高度h則從0 nm變化到550 nm。從圖中可以看出，隨著光子晶體高度的增加，光萃取效率值會呈現(xiàn)出周期性的變化趨勢，周期約為100 nm。光子晶體高度為260 nm時，倒裝薄膜LED芯片的光萃取效率最大，達(dá)到了26.6%。圖3(c)為LED的光萃取效率隨著占空比的變化情況，其中光子晶體周期和高度分別為100 nm 和260 nm。從圖中可以看出，隨著光子晶體占空比的增大，光萃取效率值在占空比為0.7處出現(xiàn)峰點，在占空比為0.2和1處出現(xiàn)谷點。當(dāng)占空比為0.7時，LED的光萃取效率達(dá)到最大值26.8%，相比于無表面微納結(jié)構(gòu)的倒裝薄膜LED芯片的光萃取效率提高了5.9%。

圖3 諧振腔腔長L=2 800 nm的LED芯片的光萃取效率隨光子晶體周期(a)、高度(b)和占空比(c)的變化。

Fig.3 LEE of FC-TFLEDs (cavity lengthL=2 800 nm) as a function of lattice constant(a), height(b) and duty ratio (c), respectively.

圖4為LED芯片表面經(jīng)KOH腐蝕后的掃描電鏡(SEM)圖像。圖4(a)為ICP刻蝕完u-GaN后的n-GaN表面，從圖中可以看出，未腐蝕的n-GaN表面較為平滑。圖4(b)～(e)分別為n-GaN表面經(jīng)過KOH腐蝕4，8，12，16 min的SEM圖。其中KOH腐蝕液的濃度和溫度分別為6 mol/L和85 ℃。從圖中可以看出，LED芯片的表面呈現(xiàn)六棱錐形，且隨著腐蝕時間的增加，表面微納結(jié)構(gòu)的尺寸逐漸變大。而當(dāng)刻蝕時間為16 min時，表面六棱錐結(jié)構(gòu)大小很不均一。

在上述的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計了如圖5(a)所示的六棱錐仿真結(jié)構(gòu)。該圖給出了LED芯片的光萃取效率隨不同腐蝕時間的變化。從圖中可以看出，隨著腐蝕時間的增加，LED芯片的光萃取效率值曲線表現(xiàn)為先變大、再變小的變化規(guī)律。當(dāng)腐蝕時間為8 min時，光萃取效率達(dá)到最大值0.48。而腐蝕時間增加到16 min時，光萃取效率下降至0.42。圖5(b)為不同腐蝕時間下，LED芯片的光萃取效率增強比率變化曲線。增強比率在腐蝕時間8 min處達(dá)到1.9，即此時的光萃取效率是原始芯片的1.9倍。

從前面的研究可知，p-GaN厚度對倒裝薄膜LED芯片的光萃取效率影響較大。圖6所示為不同表面微納結(jié)構(gòu)的LED芯片的光萃取效率隨p-GaN厚度的變化情況。從圖6(a)中可以看出，當(dāng)采用表面光子晶體結(jié)構(gòu)時，LED芯片的光萃取效率隨p-GaN厚度的變化趨勢與無表面結(jié)構(gòu)的LED芯片相似，對p-GaN厚度的依賴性極強，而光萃取效率整體上較無表面微納結(jié)構(gòu)的芯片略有提升。而當(dāng)采用表面六棱錐結(jié)構(gòu)時，倒裝薄膜LED芯片的光萃取效率得到大幅提高，并且在整個p-GaN厚度變化范圍內(nèi)，其光萃取效率變化相對較小，即具有表面六棱錐結(jié)構(gòu)LED芯片的光萃取效率對p-GaN層厚度無依賴性。圖6(b)為不同p-GaN層厚度情況下具有光子晶體和六棱錐結(jié)構(gòu)的LED芯片的光萃取效率與無表面微納結(jié)構(gòu)的LED芯片的比值。從圖中可以看出，表面光子晶體提高LED芯片的光萃取效率的比率較低，而六棱錐結(jié)構(gòu)能夠有效地提高 LED的光萃取效率，在峰值點的增強倍數(shù)達(dá)到14.4。因此，當(dāng)器件的腔長較長時，表面六角棱錐結(jié)構(gòu)在提高倒裝薄膜LED芯片的光萃取效率上有明顯的優(yōu)勢。

圖4 LED表面經(jīng)KOH不同時間腐蝕后的SEM圖像。(a)0 min；(b)4 min；(c)8 min；(d)12 min；(e)16 min。

Fig.4 SEM images of LED surface with different KOH etching time. (a) 0 min. (b)4 min. (c)8 min. (d)12 min.(e)16 min.

圖5 諧振腔腔長L=2 800 nm的倒裝薄膜LED芯片的光萃取效率(a)和光萃取效率增強比率(b)隨腐蝕時間的變化

Fig.5 LEE (a)and light enhancement ratio (b) as a function of KOH etching time of FC-TFLEDs (cavity lengthL=2 800 nm)

圖6 諧振腔腔長L=2 800 nm的不同表面微納結(jié)構(gòu)的倒裝薄膜LED芯片的光萃取效率(a)和光萃取比率(b)隨p-GaN層厚度的變化

Fig.6 LEE(a) and light enhancement ratio (b) of FC-TFLEDs (cavity lengthL=2 800 nm) with different surface textures as a function of the thickness of p-GaN layer

3.3 具有不同表面微納結(jié)構(gòu)的短腔長器件(L=840 nm)的光萃取效率

短腔長器件所采用的p-GaN厚度為260 nm，腔長L為840 nm。圖7所示為具有表面光子晶體結(jié)構(gòu)的LED的光萃取效率隨光子晶體周期a、光子晶體高度h和占空比2r/a的變化情況。從圖7(a)中可以發(fā)現(xiàn)，隨著光子晶體周期的增大，光萃取效率值曲線出現(xiàn)振蕩性變化。LED的光萃取效率在光子晶體周期為800 nm處達(dá)到峰值0.429。從圖7(b)中可以看出，當(dāng)光子晶體高度較小，即n-GaN刻蝕深度較淺時，LED的光萃取效率較低。而隨著光子晶體高度的增大，光萃取效率值漸漸增大，在光子晶體高度為520 nm時的光萃取效率達(dá)到最大值0.433。之后隨著光子晶體高度的繼續(xù)增加，光萃取效率呈現(xiàn)下降趨勢。圖7(c)所采用的光子晶體周期和高度分別為800 nm和520 nm。隨著占空比的增大，光萃取效率出現(xiàn)振蕩性變化。在占空比為0.2時，LED芯片的光萃取效率達(dá)到最大值0.50，在0.4和0.8處出現(xiàn)谷點。

圖8所示為不同表面六棱錐結(jié)構(gòu)LED的光萃取效率。隨著KOH溶液腐蝕時間的增加，即六棱錐顆粒逐漸變大，倒裝薄膜LED芯片的光萃取效率先增大后減小。LED的光萃取效率最大值出現(xiàn)在8 min時，達(dá)到0.66。與無表面微納結(jié)構(gòu)的倒裝薄膜LED相比，腐蝕后的LED的光萃取效率值提高至少達(dá)到58%以上，并且光萃取效率值都超過了0.50(具有光子晶體結(jié)構(gòu)LED芯片的光萃取效率最大值)。

圖7 諧振腔腔長L=840 nm的倒裝薄膜LED芯片的光萃取效率隨光子晶體周期(a)、高度(b)和占空比(c)的變化。

Fig.7 LEE of FC-TFLEDs (cavity lengthL=840 nm) as a function of lattice constant(a), height(b) and duty ratio(c), respectively.

圖8 諧振腔腔長L=840 nm的LED芯片的光萃取效率隨腐蝕時間的變化

Fig.8 LEE as a function of KOH etching time of FC-TFLEDs (cavity lengthL=840 nm)

如圖9所示為具有光子晶體結(jié)構(gòu)和六棱錐結(jié)構(gòu)的諧振腔腔長L=840 nm的LED芯片的光萃取效率及增強比率隨p-GaN厚度的變化情況。從圖9(a)中可以看出，表面具有光子晶體結(jié)構(gòu)的LED芯片的光萃取效率的最大值為0.53。光萃取效率對p-GaN厚度有很大的依賴性，其效率值振蕩最大幅度達(dá)到0.18((效率最大值-最小值)/2)，振蕩周期與無表面微納結(jié)構(gòu)的芯片的規(guī)律一致。具有六棱錐結(jié)構(gòu)的LED芯片的光萃取效率在整個范圍內(nèi)都大于其他兩種LED芯片，而且光萃取效率對p-GaN厚度的依賴大幅降低，振蕩幅度最大僅為0.04。圖9(b)為不同結(jié)構(gòu)倒裝薄膜LED的光萃取效率比值隨p-GaN層厚度的變化。從圖中可以看出，具有光子晶體結(jié)構(gòu)及六棱錐結(jié)構(gòu)的倒裝薄膜LED的光萃取效率增強比率呈周期性變化，且在p-GaN層厚度為220 nm處達(dá)到最大。相比于無表面微納結(jié)構(gòu)的LED芯片，具有光子晶體結(jié)構(gòu)的LED芯片的光萃取效率最大提升了3.2倍，而具有六棱錐結(jié)構(gòu)的LED芯片則提升了10.5倍。

圖9 諧振腔腔長L=840 nm的LED芯片的光萃取效率(a)和光萃取比率(b)隨p-GaN層厚度的變化

Fig.9 LEE (a) and light enhancement ratio (b) as a function of the thickness of p-GaN of FC-TFLEDs (cavity lengthL=840 nm)

綜上所述，LED的光萃取效率受很多因素影響。(1)諧振腔效應(yīng)。由于諧振效應(yīng)，無表面微納結(jié)構(gòu)的倒裝薄膜LED芯片的光萃取效率在振蕩波腹和波節(jié)的光萃取效率相差很大。當(dāng)采用表面光子晶體結(jié)構(gòu)時，外延層p-GaN厚度對器件影響很大，如處于諧振波節(jié)情況時，具有表面光子晶體結(jié)構(gòu)的器件的光萃取效率極低；而當(dāng)采用表面六棱錐結(jié)構(gòu)時，p-GaN層厚度對器件的光萃取效率的影響大大減弱，在不同p-GaN厚度情況下都能擁有較高的光萃取效率。(2)腔長效應(yīng)。利用光子晶體結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高光萃取效率的器件時，必需盡量減短器件的腔長；而采用六棱錐結(jié)構(gòu)時，腔長對器件的光萃取效率的影響大大降低，因而無需對器件腔長進行特別控制。(3)表面效應(yīng)。當(dāng)采用不同表面微納結(jié)構(gòu)時，與表面光子晶體結(jié)構(gòu)相比，表面六棱錐結(jié)構(gòu)更有利于光從有源區(qū)逃逸到器件外部，實現(xiàn)更高的光萃取效率。這些結(jié)果表明，采用六棱錐結(jié)構(gòu)不僅可以獲得更高的光萃取效率，并且對p-GaN層厚度及器件的腔長的依賴性大幅降低。本文的研究結(jié)果對制備倒裝薄膜LED芯片有重要的指導(dǎo)意義，可以在降低材料外延及器件制備難度的前提下實現(xiàn)高的光萃取效率。

4 結(jié) 論

本文通過FDTD算法研究了氮化鎵基倒裝薄膜LED芯片的表面結(jié)構(gòu)設(shè)計及光萃取效率。首先，通過對無表面微納結(jié)構(gòu)的LED芯片的p-GaN層厚度和諧振腔腔長進行優(yōu)化，使器件的光萃取效率提高至0.34。接著，分別研究了在不同腔長情況下，具有表面光子晶體和六棱錐結(jié)構(gòu)的器件的光萃取效率及p-GaN層厚度對光萃取效率的影響。研究發(fā)現(xiàn)，外延層p-GaN厚度對具有表面光子晶體結(jié)構(gòu)的器件的光萃取效率影響很大；而對采用表面六棱錐結(jié)構(gòu)的器件的影響則很小，在不同p-GaN厚度下都有較高的光萃取效率。短腔長有利于具有光子晶體結(jié)構(gòu)的器件實現(xiàn)高的光萃取效率。優(yōu)化后，具有表面光子晶體和六棱錐結(jié)構(gòu)的器件的光萃取效率最大值分別達(dá)到0.50和0.67，相比無表面微納結(jié)構(gòu)器件分別提高了56%和97%。研究結(jié)果表明，采用六棱錐結(jié)構(gòu)不僅可以使器件擁有更高的光萃取效率，而且可以大幅降低光萃取效率對器件的p-GaN層厚度及腔長的依賴性，這將大幅降低材料外延生長及器件制備的難度。

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齊趙毅(1991-)，男，湖北荊州人，碩士研究生，2010年于湖州師范學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事氮化物光電子器件方面的研究。

E-mail: bjqzy1018@163.com

王洪(1964-)，男，江蘇無錫人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，2004年于華南理工大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事微納光電材料與器件、光通信網(wǎng)絡(luò)與器件、GaN電子材料與器件等方面的研究。

E-mail: phhwang@scut.edu.cn

Design of Surface Textures for High Light Extraction Efficiency GaN-based Flip-chip TFLEDs

QI Zhao-yi1,2， HU Xiao-long1， WANG Hong1,2*

(1.EngineeringResearchCenterforOptoelectronicsofGuangdongProvince,SchoolofElectronicandInformationEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China;2,AcademyofElectronicsandInformation,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)

Light extraction efficiency (LEE) of flip-chip thin-film LEDs (FC-TFLEDs) with different surface textures were performed by using finite difference time domain method. The surface textures and different thicknesses of p-GaN layer were optimized for high LEE FC-TFLEDs. It is found that the maximum LEE of FC-TFLEDs with photonic crystals and hexagonal cones is 1.56 and 1.97 times to that of FC-TFLEDs with flat surface, respectively. Both types of the surface textures can improve the LEE of FC-TFLEDs, however, it is much difficult to obtain high LEE FC-TFLEDs by employing photonic crystals. The simulated results show that the LEE of FC-TFLEDs is effectively improved by the use of the hexagonal cones, in addition, it can greatly reduce the difficulty in LED material growth and device fabrication.

FC-TFLED; FDTD; light extraction efficiency; photonic crystals; hexagonal cone

1000-7032(2017)03-0338-09

2016-08-30；

2016-10-17

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)(2014AA032609)； 國家自然科學(xué)基金(61404050)； 廣東省重大科技專項(2014B010119002)； 廣東省應(yīng)用型科技專項資金重大項目(2015B010127013)； 廣州市產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新重大專項項目(201504291502518)資助 Supported by National High Technology Research and Development Program(863)(2014AA032609); National Natural Science Foundation of China(61404050); Key Technologies R&D Program of Guangdong Province(2014B010119002); Applied Technologies R&D Major Program of Guangdong Province(2015B010127013); Technologies R&D Major Programs of Guangzhou City(201504291502518)

TN383+.1

A

10.3788/fgxb20173803.0338

*CorrespondingAuthor,E-mail:phhwang@scut.edu.cn