折射率匹配对绿光发光二极管微显示光学性能影响

王 磊，罗 翔，常佛青，王晓楠，刘苏阳，汤 昊，刘宏宇，孙润光

(南昌大学 材料科学与工程学院，江西 南昌 330031)

1 引 言

近年来，随着人们对增强现实(AR)和便携式投影设备的需求日益渐涨，对显示技术提出了更高的要求，如高像素密度和高亮度[1-3]。LED微显示器以其高动态范围、高对比度、寿命长、体积小和功耗低等优点迅速发展[4-7]。一般来说LED微显示器是指有效显示区对角线尺寸小于25.4 mm(1 in)，单个像素尺寸小于50 μm的微型显示器件[8]。LED微显示芯片的制作技术主要是LED微缩化和矩阵化技术，即在一个芯片上高密度集成的微尺寸LED阵列[9]。

理论上影响LED光提取效率的因素主要分为两个方面：一是由于光在半导体和空气界面因折射率差所引起的反射损失，二是由于半导体材料和LED电极材料对光的吸收，从而影响了器件的光效[10]。在材料的选择上，Ti/Al/Ni/Au等高反射率材料的使用，已尽可能使其对光的吸收达到最低[11]。因此，为了进一步增加LED 微显示器的光提取效率，我们着力于从界面反射出发，通过涂敷折射率匹配层增加光逃逸锥角，进而增加器件的光效[12]。目前已通过表面粗化、倒装芯片、图形化衬底、纳米结构表面、分布式布拉格反射器等技术来增加LED的光提取效率，但是以上增加光提取效率的方法多为照明领域且制作工艺复杂，用于显示领域来增加光提取效率的研究方法较少[13-17]。本文通过涂敷的方法研究了折射率匹配层对LED微显示器光学性能的影响。

2 实 验

2.1 器件制备

本研究中用于器件制备的外延片为101.6 mm(4 in)蓝宝石衬底绿光(525 nm)InGaN/GaN多量子阱结构,其各外延层结构如图1所示。绝缘透明的双抛蓝宝石衬底为器件提供了一个理想的显示平面，图2展示了该LED 微显示器的结构剖面图。首先通过电感耦合等离子体(ICP)刻蚀定义出单像素区域，其中像素点距20 μm，台面尺寸14 μm，然后采用电子束蒸发(EBE)在晶圆上沉积Ni/Au/Ni/Au薄膜形成P寻址电极、N层布线和公共负电极，将公共电极设计成网状结构，使电流均匀流过每个像素，这样提高了器件电流均匀性。随后沉积SiO2钝化层，减少单个像素侧壁引起的漏电流，之后通过反应离子刻蚀(RIE)形成过孔，在每个像素P寻址电极和公共电极的顶部沉积Au凸点，然后通过倒装焊机(FC150)将其与驱动IC的铟柱键合在一起，制作了10.67 mm(0.42 in)、分辨率为480×270的阵列，最后通过West Bond引线机将其与柔性印刷线路板(FPCB)连接在一起，封装样品如图3所示。

图1 衬底各外延层结构Fig.1 Epitaxial layer structure of the substrate

图2 LED微显示器结构剖面图Fig.2 Structural profile of LED microdisplay

图3 封装的LED 微显示器示意图Fig.3 Schematic of encapsulated LED microdisplay

2.2 器件折射率匹配层涂敷

实验分为两组。A组实验先测试样品的光效率；之后在样品的表面刮涂一层硅胶(卡夫特K-705 RTV硅橡胶折射率为1.45)，覆盖整个发光区，用玻璃棒碾平，确保覆盖的硅胶中没有小气泡存在，在室温下将样品静置8 h以上，待硅胶无流动后测量样品的光效率；随后刮涂一层薄硅胶层在肖特BF33双抛玻璃片(厚度为300 μm)上，将玻璃片和器件粘合在一起，确保玻璃片和硅胶之间没有小气泡存在，待固化后再次测量其光效率。B组实验首先在器件的发光区周围(N line布线周围)封一圈黑色树脂(DOW CORNING SE 9187L粘合剂)，随后按照A组实验顺序和步骤重复进行实验。整个实验过程在常温、常湿条件下进行。

2.3 器件性能表征

实验首先用显微镜(KEYENCE VHX-600E)观察了样品的显微结构，单个像素发光区半径为5.15 μm，单个像素电流扩展区域大小为14.50 μm，器件测试区的有效发光区面积为1.08 mm2，如图4所示。采用积分球测试仪(300积分球) 、光色电综合测试仪(ZWL-600-M6)和快速光谱分析系统(600光谱仪)对样品的光效率进行测试，采用计算机控制可编程的Keithley 2611A源表和SpectraScan PR-650亮度计对样品的亮度进行测试，整个测试过程在常温、常湿、无外部光照条件下完成，测试电流范围为1～50 mA。采用Keithley 2611A源表、红外测温仪(GM300)和微电脑控制恒温加热板(946C)测量了样品涂敷硅胶前后结温的变化。

图4 从蓝宝石面观察的LED 微显示器单个点亮像素(×5 000)Fig.4 Single alight pixel (×5 000) of LED microdisplay viewed from sapphire surface

3 结果与讨论

本文主要目的是研究折射率匹配层对绿光LED 微显示器光学性能的影响。在已封装器件上涂敷硅胶层，然后盖玻璃片。InGaN/GaN绿光microLED的衬底为蓝宝石，其折射率约1.76，而空气的折射率在常温下约1.0，由菲涅尔定律可知，光从光密介质进入光疏介质时会发生全反射[18]。倒装结构的InGaN/GaN绿光microLED出光面为蓝宝石，从半导体内部产生的光子，首先会经过各外延层到达器件与空气界面，此时由于两者的折射率相差较大，大多数的光子会因为全反射而回到内部，最终被器件所吸收[19]。

根据临界角公式：

(1)

式中：θ为界面处的全反射临界角，n2为空气的折射率，n1为材料的折射率。假设从有源区产生的光为一点光源，如图5(a)所示，沿半导体空气界面法线方向发射的光可以直接从半导体中逃逸出来，若入射光角度超过了全内反射临界角，那么光就会被反射回器件内部被吸收。空气界面处半导体材料折射率的不同会导致逃逸光锥角不同，从而改变器件的光效率。带入空气和蓝宝石的折射率，得到界面处的临界角θ1=34.62°，即只有位于临界角θ1=34.62°半角内的入射光才能出射到器件外。当在器件的表面涂敷折射率匹配层硅胶层之后，器件和空气的接触面变为硅胶与空气界面，因硅胶的折射率为1.45，带入式(1)，得到界面处的临界角θ2=43.54°，即只有位于临界角θ2=43.54°半角内的入射光才能出射到器件外，涂敷硅胶前后光逃逸锥角如图5(b)所示。

图5 (a) 界面处全反射示意图；(b) 涂敷前后光逃逸锥角示意图(红线表示涂敷后，蓝线表示涂敷前)。Fig.5 (a)Schematic diagram of total reflection at the interface;(b) Schematic diagram of light escape cone angle before and after coating (The red line is after and the blue line is before).

经过以上分析可知，涂敷折射率匹配层硅胶层之后，逃逸光锥角从34.62°变为了43.54°，即涂敷硅胶之后器件的光效率理论上会提高约25.94%。

图6(a)为A组实验电流密度-光效率曲线，随着电流密度增加，光效率呈先升后降趋势。可以看出样品在未处理时峰值光效的电流密度约为1 A/cm2，最大光效率约为27 lm/W。样品刮涂硅胶处理后，其峰值光效率变化明显，此时最大光效率约35 lm/W，相比于未涂敷硅胶的样品光效率增加29.63%。在刮涂硅胶之后，继续在样品表面覆盖一层玻璃片，此时最大光效率约36 lm/W，在涂硅胶的基础上有较小提升，此时因玻璃的折射率比硅胶大，硅胶和玻璃界面不会发生全反射，猜测是由于多光束干涉作用使其光效率增加[20]，相比于未涂敷硅胶时光效率提升37.04%。根据图像可以直观地看到涂敷硅胶对样品光效率确有提升，且提升较明显，通过涂敷折射率匹配层硅胶层，增强了界面处的光耦合作用，大幅提高了样品的光效率。根据测试数据得到表1(为使结果更可靠，去掉小电流1～3 mA时的数据)，涂敷硅胶光效率提升平均值约25.75%，继续盖玻璃片后相比未处理前提升平均值约32.78%。

图6 试样处理前后电流密度-光效率曲线。(a)未封黑色树脂；(b)封黑色树脂。(注：Untreated表示未处理；Epoxy表示封黑色树脂；Coating表示涂敷硅胶；Coating and Glass表示硅胶上盖玻璃片)Fig.6 Current density-luminous efficiency curves before and after treatment.(a) Unsealed by black epoxy;(b) Sealed by black epoxy.(Note:Untreated means unprocessed;Epoxy means sealed by black epoxy;Coating means coating silicone;Coating and Glass means cover glass with silicone)

表1 未封树脂测试实验结果Tab.1 Test results of unsealed epoxy (lm·W-1)

图6(b)为B组实验电流密度-光效率曲线。封黑色树脂后样品峰值光效率仍为27 lm/W，与图6(a)未修饰时峰值光效一致，且两者曲线的上升下降趋势一致，说明制作的LED 微显示器从内部出射到器件外的光集中在正方向上，侧方向上发出的光很少。样品刮涂硅胶处理之后峰值光效率约30 lm/W，相比于只封黑色树脂时提升11.11%，对照未封黑色树脂曲线，其提升较少，主要是由于黑色树脂吸收了部分光，导致最终发出到器件外的光变少。在硅胶基础上盖玻璃片后峰值光效率约26 lm/W，与只封黑色树脂时相比反而是降低了，是因为硅胶具有流动性，实验中为自然条件下固化，未封黑色树脂时，盖玻璃片向下按压会使硅胶充分填充，但因其流动性和分子间作用力，硅胶会向中心靠拢，将玻璃往上推，待固化后，会在玻璃和硅胶间留下间隙，未封黑色树脂时，不影响光从侧方向发出；但封黑色树脂后，此时硅胶和玻璃间的间隙，相当于多了两层界面，硅胶/空气界面与空气/玻璃界面，在界面处会发生反射和折射等现象，造成光损失，同时因为黑色树脂的存在，反射到树脂的光会被吸收，导致光效率进一步降低。根据图像可以直观地看出在封树脂后涂敷硅胶光效率仍有提升，但在盖玻璃片后反而下降，与只封树脂时的曲线相比略有降低，说明涂敷硅胶之后界面处的光耦合作用仅提高了侧方向上的光通量，对正方向上的光通量没有影响。根据测试数据得到表2(为了使结果更可靠，去掉小电流1～3 mA时的数据)，封树脂后涂敷硅胶光效率提升平均值约7.49%，继续盖玻璃片相比只封树脂的光效率降低平均值约2.25%。

表2 封树脂后测试实验结果Tab.2 Test results after sealing epoxy (lm·W-1)

图7为A组实验亮度-电流曲线，从图中可以看出样品在处理前后其亮度基本保持不变，在15～20 mA之间。所测亮度有一波动点，主要是因为亮度计量程最多到10 000 cd/m2，在亮度计镜头前添加衰减片，从而导致了亮度出现波动。实验测试环境为常温常湿，且都有重复实验，测试数据多组，综合涂敷硅胶前后的光效-电流密度曲线和亮度-电流曲线可知，涂敷硅胶处理前后测量曲线基本一致，无上下明显波动，可知器件在正常环境、正常工作电流下光效率和亮度稳定。器件峰值光效率电流密度约为1 A/cm2，对应电流约为13 mA、亮度约为8 000 cd/m2。根据图6、7可知，涂敷硅胶后由于界面处折射率发生改变，增加了界面处的耦合光效，使器件的光效率提升较大，但是其增加的仅是侧方向上的光通量，并没有使器件正方向上的光通量增加。

图7 样品亮度-电流曲线Fig.7 Luminance-current curves of the samples

LED微显示器电流的变化，会引起器件结温的变化，在恒流驱动条件下，由于LED 芯片到环境的热阻是恒定的，故驱动电流引起的结温温升与环境的温差近似为一恒定值，可以用环境的温差(热板的温差)来代替LED 的结温温差，正向压降和结温的关系[21-22]：

(2)

(3)

式(2)中：Tj表示结温，T0为初始结温即环境温度，V0为对应初始正向电压，Vf表示不同环境温度下正向电压，K为电压温度系数。式(3)中：V0、V1分别为环境温度T0、T1下的正向电压。分别测量了热板温度为50，60，70，80，90，100 ℃，电流恒定为30 mA，涂敷硅胶前后温度稳定下的Vf。为使温度稳定，在每个环境温度下等待20 min以达到热平衡，绘制了Vf-T曲线，如图8所示，对曲线进行了线性拟合，其拟合直线斜率的倒数即为温度系数K。

图8 恒流驱动，涂敷硅胶前后器件正向电压与结温的关系。Fig.8 Relationship between forward voltage and junction temperature of device before and after the silicone coating under constant current driving

从图中可以看出，两条曲线的斜率相差较小，根据线性拟合结果，得到涂敷硅胶前后的温度系数K分别为-0.059 2 mV/℃、-0.052 4 mV/℃，R2都为0.97。由此可知涂敷硅胶前后器件的结温变化不明显，相同电压下最大结温温差约7.5 ℃，器件在正常工作条件下，不影响硅胶的使用性 (硅胶使用温度范围-60～200 ℃)，同时其结温的稳定性也说明了器件在涂敷硅胶前后的电学稳定性好。

4 结 论

通过一种简单易行的方法提高了绿光LED 微显示器的光学性能。通过涂敷折射率匹配硅胶层，改变了器件和空气界面处的折射率，增加了光逃逸锥角，使耦合到器件外的光增加，进而增加器件的光效率，涂敷硅胶后光效率提升平均值约25.75%，和理论值相近。但是其增加的仅是侧方向上的光通量，对于器件正方向上的光通量没有提升，而显示领域需要的是正方向上的光而避免侧方向上的光，否则会出现串扰。根据光效率、亮度曲线以及结温的稳定性可知，器件涂敷硅胶后的光学稳定性和电学稳定性好。器件涂敷硅胶后其光效率的增加为高效率LED的实现提供了参考依据。