王 磊,羅 翔,常佛青,王曉楠,劉蘇陽,湯 昊,劉宏宇,孫潤光
(南昌大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,江西 南昌 330031)
近年來,隨著人們對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)和便攜式投影設(shè)備的需求日益漸漲,對(duì)顯示技術(shù)提出了更高的要求,如高像素密度和高亮度[1-3]。LED微顯示器以其高動(dòng)態(tài)范圍、高對(duì)比度、壽命長、體積小和功耗低等優(yōu)點(diǎn)迅速發(fā)展[4-7]。一般來說LED微顯示器是指有效顯示區(qū)對(duì)角線尺寸小于25.4 mm(1 in),單個(gè)像素尺寸小于50 μm的微型顯示器件[8]。LED微顯示芯片的制作技術(shù)主要是LED微縮化和矩陣化技術(shù),即在一個(gè)芯片上高密度集成的微尺寸LED陣列[9]。
理論上影響LED光提取效率的因素主要分為兩個(gè)方面:一是由于光在半導(dǎo)體和空氣界面因折射率差所引起的反射損失,二是由于半導(dǎo)體材料和LED電極材料對(duì)光的吸收,從而影響了器件的光效[10]。在材料的選擇上,Ti/Al/Ni/Au等高反射率材料的使用,已盡可能使其對(duì)光的吸收達(dá)到最低[11]。因此,為了進(jìn)一步增加LED 微顯示器的光提取效率,我們著力于從界面反射出發(fā),通過涂敷折射率匹配層增加光逃逸錐角,進(jìn)而增加器件的光效[12]。目前已通過表面粗化、倒裝芯片、圖形化襯底、納米結(jié)構(gòu)表面、分布式布拉格反射器等技術(shù)來增加LED的光提取效率,但是以上增加光提取效率的方法多為照明領(lǐng)域且制作工藝復(fù)雜,用于顯示領(lǐng)域來增加光提取效率的研究方法較少[13-17]。本文通過涂敷的方法研究了折射率匹配層對(duì)LED微顯示器光學(xué)性能的影響。
本研究中用于器件制備的外延片為101.6 mm(4 in)藍(lán)寶石襯底綠光(525 nm)InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu),其各外延層結(jié)構(gòu)如圖1所示。絕緣透明的雙拋藍(lán)寶石襯底為器件提供了一個(gè)理想的顯示平面,圖2展示了該LED 微顯示器的結(jié)構(gòu)剖面圖。首先通過電感耦合等離子體(ICP)刻蝕定義出單像素區(qū)域,其中像素點(diǎn)距20 μm,臺(tái)面尺寸14 μm,然后采用電子束蒸發(fā)(EBE)在晶圓上沉積Ni/Au/Ni/Au薄膜形成P尋址電極、N層布線和公共負(fù)電極,將公共電極設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使電流均勻流過每個(gè)像素,這樣提高了器件電流均勻性。隨后沉積SiO2鈍化層,減少單個(gè)像素側(cè)壁引起的漏電流,之后通過反應(yīng)離子刻蝕(RIE)形成過孔,在每個(gè)像素P尋址電極和公共電極的頂部沉積Au凸點(diǎn),然后通過倒裝焊機(jī)(FC150)將其與驅(qū)動(dòng)IC的銦柱鍵合在一起,制作了10.67 mm(0.42 in)、分辨率為480×270的陣列,最后通過West Bond引線機(jī)將其與柔性印刷線路板(FPCB)連接在一起,封裝樣品如圖3所示。
圖1 襯底各外延層結(jié)構(gòu)Fig.1 Epitaxial layer structure of the substrate
圖2 LED微顯示器結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.2 Structural profile of LED microdisplay
圖3 封裝的LED 微顯示器示意圖Fig.3 Schematic of encapsulated LED microdisplay
實(shí)驗(yàn)分為兩組。A組實(shí)驗(yàn)先測試樣品的光效率;之后在樣品的表面刮涂一層硅膠(卡夫特K-705 RTV硅橡膠折射率為1.45),覆蓋整個(gè)發(fā)光區(qū),用玻璃棒碾平,確保覆蓋的硅膠中沒有小氣泡存在,在室溫下將樣品靜置8 h以上,待硅膠無流動(dòng)后測量樣品的光效率;隨后刮涂一層薄硅膠層在肖特BF33雙拋玻璃片(厚度為300 μm)上,將玻璃片和器件粘合在一起,確保玻璃片和硅膠之間沒有小氣泡存在,待固化后再次測量其光效率。B組實(shí)驗(yàn)首先在器件的發(fā)光區(qū)周圍(N line布線周圍)封一圈黑色樹脂(DOW CORNING SE 9187L粘合劑),隨后按照A組實(shí)驗(yàn)順序和步驟重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程在常溫、常濕條件下進(jìn)行。
實(shí)驗(yàn)首先用顯微鏡(KEYENCE VHX-600E)觀察了樣品的顯微結(jié)構(gòu),單個(gè)像素發(fā)光區(qū)半徑為5.15 μm,單個(gè)像素電流擴(kuò)展區(qū)域大小為14.50 μm,器件測試區(qū)的有效發(fā)光區(qū)面積為1.08 mm2,如圖4所示。采用積分球測試儀(300積分球) 、光色電綜合測試儀(ZWL-600-M6)和快速光譜分析系統(tǒng)(600光譜儀)對(duì)樣品的光效率進(jìn)行測試,采用計(jì)算機(jī)控制可編程的Keithley 2611A源表和SpectraScan PR-650亮度計(jì)對(duì)樣品的亮度進(jìn)行測試,整個(gè)測試過程在常溫、常濕、無外部光照條件下完成,測試電流范圍為1~50 mA。采用Keithley 2611A源表、紅外測溫儀(GM300)和微電腦控制恒溫加熱板(946C)測量了樣品涂敷硅膠前后結(jié)溫的變化。
圖4 從藍(lán)寶石面觀察的LED 微顯示器單個(gè)點(diǎn)亮像素(×5 000)Fig.4 Single alight pixel (×5 000) of LED microdisplay viewed from sapphire surface
本文主要目的是研究折射率匹配層對(duì)綠光LED 微顯示器光學(xué)性能的影響。在已封裝器件上涂敷硅膠層,然后蓋玻璃片。InGaN/GaN綠光microLED的襯底為藍(lán)寶石,其折射率約1.76,而空氣的折射率在常溫下約1.0,由菲涅爾定律可知,光從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生全反射[18]。倒裝結(jié)構(gòu)的InGaN/GaN綠光microLED出光面為藍(lán)寶石,從半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生的光子,首先會(huì)經(jīng)過各外延層到達(dá)器件與空氣界面,此時(shí)由于兩者的折射率相差較大,大多數(shù)的光子會(huì)因?yàn)槿瓷涠氐絻?nèi)部,最終被器件所吸收[19]。
根據(jù)臨界角公式:
(1)
式中:θ為界面處的全反射臨界角,n2為空氣的折射率,n1為材料的折射率。假設(shè)從有源區(qū)產(chǎn)生的光為一點(diǎn)光源,如圖5(a)所示,沿半導(dǎo)體空氣界面法線方向發(fā)射的光可以直接從半導(dǎo)體中逃逸出來,若入射光角度超過了全內(nèi)反射臨界角,那么光就會(huì)被反射回器件內(nèi)部被吸收??諝饨缑嫣幇雽?dǎo)體材料折射率的不同會(huì)導(dǎo)致逃逸光錐角不同,從而改變器件的光效率。帶入空氣和藍(lán)寶石的折射率,得到界面處的臨界角θ1=34.62°,即只有位于臨界角θ1=34.62°半角內(nèi)的入射光才能出射到器件外。當(dāng)在器件的表面涂敷折射率匹配層硅膠層之后,器件和空氣的接觸面變?yōu)楣枘z與空氣界面,因硅膠的折射率為1.45,帶入式(1),得到界面處的臨界角θ2=43.54°,即只有位于臨界角θ2=43.54°半角內(nèi)的入射光才能出射到器件外,涂敷硅膠前后光逃逸錐角如圖5(b)所示。
圖5 (a) 界面處全反射示意圖;(b) 涂敷前后光逃逸錐角示意圖(紅線表示涂敷后,藍(lán)線表示涂敷前)。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).
經(jīng)過以上分析可知,涂敷折射率匹配層硅膠層之后,逃逸光錐角從34.62°變?yōu)榱?3.54°,即涂敷硅膠之后器件的光效率理論上會(huì)提高約25.94%。
圖6(a)為A組實(shí)驗(yàn)電流密度-光效率曲線,隨著電流密度增加,光效率呈先升后降趨勢??梢钥闯鰳悠吩谖刺幚頃r(shí)峰值光效的電流密度約為1 A/cm2,最大光效率約為27 lm/W。樣品刮涂硅膠處理后,其峰值光效率變化明顯,此時(shí)最大光效率約35 lm/W,相比于未涂敷硅膠的樣品光效率增加29.63%。在刮涂硅膠之后,繼續(xù)在樣品表面覆蓋一層玻璃片,此時(shí)最大光效率約36 lm/W,在涂硅膠的基礎(chǔ)上有較小提升,此時(shí)因玻璃的折射率比硅膠大,硅膠和玻璃界面不會(huì)發(fā)生全反射,猜測是由于多光束干涉作用使其光效率增加[20],相比于未涂敷硅膠時(shí)光效率提升37.04%。根據(jù)圖像可以直觀地看到涂敷硅膠對(duì)樣品光效率確有提升,且提升較明顯,通過涂敷折射率匹配層硅膠層,增強(qiáng)了界面處的光耦合作用,大幅提高了樣品的光效率。根據(jù)測試數(shù)據(jù)得到表1(為使結(jié)果更可靠,去掉小電流1~3 mA時(shí)的數(shù)據(jù)),涂敷硅膠光效率提升平均值約25.75%,繼續(xù)蓋玻璃片后相比未處理前提升平均值約32.78%。
圖6 試樣處理前后電流密度-光效率曲線。(a)未封黑色樹脂;(b)封黑色樹脂。(注:Untreated表示未處理;Epoxy表示封黑色樹脂;Coating表示涂敷硅膠;Coating and Glass表示硅膠上蓋玻璃片)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 未封樹脂測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of unsealed epoxy (lm·W-1)
圖6(b)為B組實(shí)驗(yàn)電流密度-光效率曲線。封黑色樹脂后樣品峰值光效率仍為27 lm/W,與圖6(a)未修飾時(shí)峰值光效一致,且兩者曲線的上升下降趨勢一致,說明制作的LED 微顯示器從內(nèi)部出射到器件外的光集中在正方向上,側(cè)方向上發(fā)出的光很少。樣品刮涂硅膠處理之后峰值光效率約30 lm/W,相比于只封黑色樹脂時(shí)提升11.11%,對(duì)照未封黑色樹脂曲線,其提升較少,主要是由于黑色樹脂吸收了部分光,導(dǎo)致最終發(fā)出到器件外的光變少。在硅膠基礎(chǔ)上蓋玻璃片后峰值光效率約26 lm/W,與只封黑色樹脂時(shí)相比反而是降低了,是因?yàn)楣枘z具有流動(dòng)性,實(shí)驗(yàn)中為自然條件下固化,未封黑色樹脂時(shí),蓋玻璃片向下按壓會(huì)使硅膠充分填充,但因其流動(dòng)性和分子間作用力,硅膠會(huì)向中心靠攏,將玻璃往上推,待固化后,會(huì)在玻璃和硅膠間留下間隙,未封黑色樹脂時(shí),不影響光從側(cè)方向發(fā)出;但封黑色樹脂后,此時(shí)硅膠和玻璃間的間隙,相當(dāng)于多了兩層界面,硅膠/空氣界面與空氣/玻璃界面,在界面處會(huì)發(fā)生反射和折射等現(xiàn)象,造成光損失,同時(shí)因?yàn)楹谏珮渲拇嬖?,反射到樹脂的光?huì)被吸收,導(dǎo)致光效率進(jìn)一步降低。根據(jù)圖像可以直觀地看出在封樹脂后涂敷硅膠光效率仍有提升,但在蓋玻璃片后反而下降,與只封樹脂時(shí)的曲線相比略有降低,說明涂敷硅膠之后界面處的光耦合作用僅提高了側(cè)方向上的光通量,對(duì)正方向上的光通量沒有影響。根據(jù)測試數(shù)據(jù)得到表2(為了使結(jié)果更可靠,去掉小電流1~3 mA時(shí)的數(shù)據(jù)),封樹脂后涂敷硅膠光效率提升平均值約7.49%,繼續(xù)蓋玻璃片相比只封樹脂的光效率降低平均值約2.25%。
表2 封樹脂后測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results after sealing epoxy (lm·W-1)
圖7為A組實(shí)驗(yàn)亮度-電流曲線,從圖中可以看出樣品在處理前后其亮度基本保持不變,在15~20 mA之間。所測亮度有一波動(dòng)點(diǎn),主要是因?yàn)榱炼扔?jì)量程最多到10 000 cd/m2,在亮度計(jì)鏡頭前添加衰減片,從而導(dǎo)致了亮度出現(xiàn)波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)測試環(huán)境為常溫常濕,且都有重復(fù)實(shí)驗(yàn),測試數(shù)據(jù)多組,綜合涂敷硅膠前后的光效-電流密度曲線和亮度-電流曲線可知,涂敷硅膠處理前后測量曲線基本一致,無上下明顯波動(dòng),可知器件在正常環(huán)境、正常工作電流下光效率和亮度穩(wěn)定。器件峰值光效率電流密度約為1 A/cm2,對(duì)應(yīng)電流約為13 mA、亮度約為8 000 cd/m2。根據(jù)圖6、7可知,涂敷硅膠后由于界面處折射率發(fā)生改變,增加了界面處的耦合光效,使器件的光效率提升較大,但是其增加的僅是側(cè)方向上的光通量,并沒有使器件正方向上的光通量增加。
圖7 樣品亮度-電流曲線Fig.7 Luminance-current curves of the samples
LED微顯示器電流的變化,會(huì)引起器件結(jié)溫的變化,在恒流驅(qū)動(dòng)條件下,由于LED 芯片到環(huán)境的熱阻是恒定的,故驅(qū)動(dòng)電流引起的結(jié)溫溫升與環(huán)境的溫差近似為一恒定值,可以用環(huán)境的溫差(熱板的溫差)來代替LED 的結(jié)溫溫差,正向壓降和結(jié)溫的關(guān)系[21-22]:
(2)
(3)
式(2)中:Tj表示結(jié)溫,T0為初始結(jié)溫即環(huán)境溫度,V0為對(duì)應(yīng)初始正向電壓,Vf表示不同環(huán)境溫度下正向電壓,K為電壓溫度系數(shù)。式(3)中:V0、V1分別為環(huán)境溫度T0、T1下的正向電壓。分別測量了熱板溫度為50,60,70,80,90,100 ℃,電流恒定為30 mA,涂敷硅膠前后溫度穩(wěn)定下的Vf。為使溫度穩(wěn)定,在每個(gè)環(huán)境溫度下等待20 min以達(dá)到熱平衡,繪制了Vf-T曲線,如圖8所示,對(duì)曲線進(jìn)行了線性擬合,其擬合直線斜率的倒數(shù)即為溫度系數(shù)K。
圖8 恒流驅(qū)動(dòng),涂敷硅膠前后器件正向電壓與結(jié)溫的關(guān)系。Fig.8 Relationship between forward voltage and junction temperature of device before and after the silicone coating under constant current driving
從圖中可以看出,兩條曲線的斜率相差較小,根據(jù)線性擬合結(jié)果,得到涂敷硅膠前后的溫度系數(shù)K分別為-0.059 2 mV/℃、-0.052 4 mV/℃,R2都為0.97。由此可知涂敷硅膠前后器件的結(jié)溫變化不明顯,相同電壓下最大結(jié)溫溫差約7.5 ℃,器件在正常工作條件下,不影響硅膠的使用性 (硅膠使用溫度范圍-60~200 ℃),同時(shí)其結(jié)溫的穩(wěn)定性也說明了器件在涂敷硅膠前后的電學(xué)穩(wěn)定性好。
通過一種簡單易行的方法提高了綠光LED 微顯示器的光學(xué)性能。通過涂敷折射率匹配硅膠層,改變了器件和空氣界面處的折射率,增加了光逃逸錐角,使耦合到器件外的光增加,進(jìn)而增加器件的光效率,涂敷硅膠后光效率提升平均值約25.75%,和理論值相近。但是其增加的僅是側(cè)方向上的光通量,對(duì)于器件正方向上的光通量沒有提升,而顯示領(lǐng)域需要的是正方向上的光而避免側(cè)方向上的光,否則會(huì)出現(xiàn)串?dāng)_。根據(jù)光效率、亮度曲線以及結(jié)溫的穩(wěn)定性可知,器件涂敷硅膠后的光學(xué)穩(wěn)定性和電學(xué)穩(wěn)定性好。器件涂敷硅膠后其光效率的增加為高效率LED的實(shí)現(xiàn)提供了參考依據(jù)。