如何改善LED芯片效率

在科技高度發(fā)展的今天，電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代越來越快，LED燈的技術(shù)也在不斷發(fā)展，為我們的城市裝飾得五顏六色。當(dāng)前的市場上出現(xiàn)了很多ITO(氧化銦錫，Indium Tim Oxide)芯片，這種芯片的亮度比通用電極的芯片亮度要高20%-30%左右。ITO是一種透明的n型半導(dǎo)體導(dǎo)電薄膜，常溫下其帶隙約為3.5-4.3eV，載流子濃度在1019-1023cm3之間，因此具有良好的導(dǎo)電性(電阻率一般在1.10-3Ω·cm以下)和較高的可見光區(qū)透過率(在可見光波段的光透射高于80%)。

與其他透明導(dǎo)電薄膜相比，ITO具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。ITO對(duì)襯底具有良好的附著性和圖形加工也行，是目前理想的導(dǎo)電薄膜，并且在光電器件的透明電極領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近幾年來，GaN基白光LED的照明產(chǎn)品逐漸進(jìn)入實(shí)用階段;如果在GaN基LED中用ITO代替Ni/Au作為p型電極，那么同等條件下可使LED的出光效率提高20%-30%。

★ 倒裝法

傳統(tǒng)的藍(lán)寶石襯底的GaN芯片結(jié)構(gòu)如圖A.1所示，電極剛好位于芯片的出光面。由于p-GaN層表面沉淀一層用于電流擴(kuò)散的金屬層。這個(gè)電流擴(kuò)散層由Ni和Au組成，會(huì)吸收部分光，從而降低出光效率。如果將芯片倒裝(如圖A.2所示)，那么電流擴(kuò)散層(金屬反射層)就成為光的反射層。這樣光可通過藍(lán)寶石襯底發(fā)射出去，從而提高了出光效率。

★ 襯底剝離技術(shù)

襯底剝離技術(shù)首先由惠普公司在AlGaInP/GaAsled襯底上實(shí)現(xiàn)。因?yàn)镚aAs襯底使得LED內(nèi)部光的吸收損失非常大，通過剝離GaAschendi ,然后將其粘接在透明的GaP襯底上，可以提高近兩倍的發(fā)光效率。

GaN基LED的襯底一般為藍(lán)寶石材質(zhì)，藍(lán)寶石為絕緣體，導(dǎo)熱性能較差，因此LED的電極都在上表面。又因?yàn)閜型歐姆接觸電極的制備比較困難，所以需要使用p型透明電極，其加工工藝比較困難，必須同時(shí)保證低歐姆接觸電阻和較高的光透射率。若電極做得不好，透光率較低，沒有透射出去的光會(huì)由LED吸收從而產(chǎn)生熱量，這樣對(duì)LED的出光效率和內(nèi)量子效率的提高都將造成難以克服的困難。

藍(lán)寶石襯底激光剝離技術(shù)(LLO)是基于GaN的同質(zhì)外延層而發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)，是于上個(gè)世紀(jì)末提出的。這種剝離技術(shù)利用紫外激光照射襯底，繼而熔化緩沖層來實(shí)現(xiàn)襯底的剝離。該技術(shù)可以將LED的出光效率提高至75%。襯底剝離的示意圖如圖A.3所示。采用襯底剝離技術(shù)的工藝和現(xiàn)有工藝相比，需要增加兩道新的工藝過程，但是可以減少10道原有的工藝過程，請(qǐng)參見表A.1。減少工藝工程，就相當(dāng)于減少了材料消耗、提高成品率，同時(shí)減少工時(shí)、節(jié)省人員、降低成本。另外，由于藍(lán)寶石襯底可以重復(fù)使用，同樣也降低了外延片的成本。

在使用的設(shè)備方面，剝離襯底工藝要增加一套激光剝離系統(tǒng)和一臺(tái)普通切割機(jī)，但是可以減少減薄機(jī)、拋光機(jī)、劃片機(jī)、裂片機(jī)、離子刻蝕機(jī)等設(shè)備。

因此，采用襯底剝離技術(shù)的工藝有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：

•剝離絕緣的藍(lán)寶石襯底后，可把p型電極做到底面，襯底上表面的p型和n型兩個(gè)電極只剩下n型電極，因此可以增加出光面積，從而提高出光效率。

•剝離了導(dǎo)光性能不好的藍(lán)寶石(在100℃為25W/(m·K))，換成導(dǎo)電導(dǎo)熱性能更好的襯底，這樣可使熱量很快地傳導(dǎo)到熱沉上，從而提高了導(dǎo)熱性能。這非常適用于大功率器件。

•消除了藍(lán)寶石與GaN之間晶格的壓力失配，從而使光譜變窄。

•由于將襯底換成導(dǎo)電沉底，因此有利于消除靜電損傷。

•由于散熱性能改善，因此抗靜電能力提高，有利于器件的封裝。

★ 改變芯片的幾何外形

通過改變芯片的幾何外形，可以減少光在芯片中的傳播路程，從而降低光的吸收損耗。LED一般都是立方體的結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)使得光在LED內(nèi)部會(huì)傳播很長的路徑，造成有源層和自由載流子對(duì)光的吸收加劇，如圖A.4所示。將LED晶片切去四個(gè)方向的下角(斜面與垂直方向的夾角為35°)，從而形成倒金字塔形。

LED的這種幾何外形可使內(nèi)部反射的光從側(cè)壁的內(nèi)表面再次傳播到上表面，從而以小于臨界角的角度出射;同時(shí)使那些傳播到上表面且大于臨界角的光重新從側(cè)面出射。這兩種過程能同時(shí)減少光在LED內(nèi)部傳播的路程。另外，還可以將正方形的LED芯片改為圓形。根據(jù)北京大學(xué)隋文輝等人的研究，對(duì)于圓盤型光學(xué)微腔可以證實(shí)：圓形的LED存在四音壁模式和圓盤的徑向模式，若將倒金字塔形的LED結(jié)構(gòu)改為倒圓錐體并加上微細(xì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，確實(shí)可以明顯加強(qiáng)LED出射的光強(qiáng)。

★ 表面粗化技術(shù)

為了抑制GaAs與空氣折射率相差過大而造成的全反射光較多的問題，可采用把p-GaN表面粗化的方法，如圖A.5(a)所示。光線入射時(shí)大于全反射角的光線在表面平整時(shí)不會(huì)出射，但是如果在芯片內(nèi)部遇到雜質(zhì)，就會(huì)產(chǎn)生散射,結(jié)果造成光線出射，如圖A.5(b)所示。光線在芯片內(nèi)的光程過長必定會(huì)衰減劇烈，粗化表面(即將表面打毛)后可使部分全反射光線以散射光的形式出射，從而增加了出光機(jī)會(huì)、提高了出光效率。

也可以直接將LED上表面打毛，如圖A.5(c)所示，但是這種做法對(duì)有源層及透明電極會(huì)造成一定的損傷，并且實(shí)現(xiàn)起來也較為困難，因此多數(shù)是采用直接刻蝕成型，使上表面粗化，產(chǎn)生散射。

★ 分布式布拉格反射層(DBR)法

LED結(jié)區(qū)發(fā)出的光是向上、下兩個(gè)表面出射的，而封裝好的LED是“單向”出光的，因此有必要將向下入射的光反射或直接出射。直接出射的方法即為透明襯底法，但是這種方法的成本較高、工藝復(fù)雜。

布拉格反射層是兩種折射率不同的材料周期交替生長的層狀結(jié)構(gòu)，它位于有源層和襯底之間。能夠?qū)⑸湎蛞r底的光利用布拉格反射原理反射回上表面。分布式布拉格反射層法(如圖A.6所示)可以直接利用MOCVD設(shè)備進(jìn)行生長，其生產(chǎn)成本可以降低很多。隨著LED制作芯片技術(shù)的發(fā)展，今后還會(huì)出現(xiàn)更多的新技術(shù)可以提高LED芯片的出光效率。特別是在提高LED芯片的抗靜電能力、減少LED芯片的發(fā)熱和提高發(fā)光效率方面必將有更好的芯片出現(xiàn)。

總結(jié)下來，也就是以下這些方法：

透明襯底技術(shù)InGaAlP

LED通常是在GaAs襯底上外延生長InGaAlP發(fā)光區(qū)GaP窗口區(qū)制備而成。與InGaAlP相比，GaAs材料具有小得多的禁帶寬度，因此，當(dāng)短波長的光從發(fā)光區(qū)與窗口表面射入GaAs襯底時(shí)，將被悉數(shù)吸收，成為器件出光效率不高的主要原因。在襯底與限制層之間生長一個(gè)布喇格反射區(qū)，能將垂直射向襯底的光反射回發(fā)光區(qū)或窗口，部分改善了器件的出光特性。一個(gè)更為有效的方法是先去除GaAs襯底，代之于全透明的GaP晶體。由于芯片內(nèi)除去了襯底吸收區(qū)，使量子效率從4%提升到了25-30%。為進(jìn)一步減小電極區(qū)的吸收，有人將這種透明襯底型的InGaAlP器件制作成截角倒錐體的外形，使量子效率有了更大的提高。

金屬膜反射技術(shù)

透明襯底制程首先起源于美國的HP、Lumileds等公司，金屬膜反射法主要有日本、臺(tái)灣廠商進(jìn)行了大量的研究與發(fā)展。這種制程不但回避了透明襯底專利，而且，更利于規(guī)模生產(chǎn)。其效果可以說與透明襯底法具有異曲同工之妙。該制程通常謂之MB制程，首先去除GaAs襯底，然后在其表面與Si基底表面同時(shí)蒸鍍Al質(zhì)金屬膜，然后在一定的溫度與壓力下熔接在一起。如此，從發(fā)光層照射到基板的光線被Al質(zhì)金屬膜層反射至芯片表面，從而使器件的發(fā)光效率提高2.5倍以上。

表面微結(jié)構(gòu)技術(shù)

表面微結(jié)構(gòu)制程是提高器件出光效率的又一個(gè)有效技術(shù)，該技術(shù)的基本要點(diǎn)是在芯片表面刻蝕大量尺寸為光波長量級(jí)的小結(jié)構(gòu)，每個(gè)結(jié)構(gòu)呈截角四面體狀，如此不但擴(kuò)展了出光面積，而且改變了光在芯片表面處的折射方向，從而使透光效率明顯提高。測(cè)量指出，對(duì)于窗口層厚度為20μm的器件，出光效率可增長30%。當(dāng)窗口層厚度減至10μm時(shí)，出光效率將有60%的改進(jìn)。對(duì)于585-625nm波長的LED器件，制作紋理結(jié)構(gòu)后，發(fā)光效率可達(dá)30lm/w，其值已接近透明襯底器件的水平。

倒裝芯片技術(shù)

通過MOCVD技術(shù)在蘭寶石襯底上生長GaN基LED結(jié)構(gòu)層，由P/N結(jié)發(fā)光區(qū)發(fā)出的光透過上面的P型區(qū)射出。由于P型GaN傳導(dǎo)性能不佳，為獲得良好的電流擴(kuò)展，需要通過蒸鍍技術(shù)在P區(qū)表面形成一層Ni-Au組成的金屬電極層。P區(qū)引線通過該層金屬薄膜引出。為獲得好的電流擴(kuò)展，Ni-Au金屬電極層就不能太薄。為此，器件的發(fā)光效率就會(huì)受到很大影響，通常要同時(shí)兼顧電流擴(kuò)展與出光效率二個(gè)因素。但無論在什么情況下，金屬薄膜的存在，總會(huì)使透光性能變差。此外，引線焊點(diǎn)的存在也使器件的出光效率受到影響。采用GaN LED倒裝芯片的結(jié)構(gòu)可以從根本上消除上面的問題。

芯片鍵合技術(shù)

光電子器件對(duì)所需要的材料在性能上有一定的要求，通常都需要有大的帶寬差和在材料的折射指數(shù)上要有很大的變化。不幸的是，一般沒有天然的這種材料。用同質(zhì)外延生長技術(shù)一般都不能形成所需要的帶寬差和折射指數(shù)差，而用通常的異質(zhì)外延技術(shù)，如在硅片上外延GaAs和InP等，不僅成本較高，而且結(jié)合接口的位錯(cuò)密度也非常高，很難形成高質(zhì)量的光電子集成器件。由于低溫鍵合技術(shù)可以大大減少不同材料之間的熱失配問題，減少應(yīng)力和位錯(cuò)，因此能形成高質(zhì)量的器件。隨著對(duì)鍵合機(jī)理的逐漸認(rèn)識(shí)和鍵合制程技術(shù)的逐漸成熟，多種不同材料的芯片之間已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)互相鍵合，從而可能形成一些特殊用途的材料和器件。如在硅片上形成硅化物層再進(jìn)行鍵合就可以形成一種新的結(jié)構(gòu)。由于硅化物的電導(dǎo)率很高，因此可以代替雙極型器件中的隱埋層，從而減小RC常數(shù)。

激光剝離技術(shù)(LLO)

激光剝離技術(shù)(LLO)是利用激光能量分解GaN/藍(lán)寶石接口處的GaN緩沖層，從而實(shí)現(xiàn)LED外延片從藍(lán)寶石襯底分離。技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是外延片轉(zhuǎn)移到高熱導(dǎo)率的熱沉上，能夠改善大尺寸芯片中電流擴(kuò)展。n面為出光面：發(fā)光面積增大，電極擋光小，便于制備微結(jié)構(gòu)，并且減少刻蝕、磨片、劃片。更重要的是藍(lán)寶石襯底可以重復(fù)運(yùn)用。雖然LED在生活中處處可見，但是LED也還有一些不足需要我們的設(shè)計(jì)人員擁有更加專業(yè)的知識(shí)儲(chǔ)備，這樣才能設(shè)計(jì)出更加符合生活所需的產(chǎn)品。