提高LED光提取效率

1、這些年來，隨著半導(dǎo)體照明的不斷深入發(fā)展，LED以其高電光轉(zhuǎn)換效率和綠色環(huán)保的優(yōu) 勢受到越來越廣泛的關(guān)注。半導(dǎo)體照明產(chǎn)品中的核心組成部分LED芯片,其研究與生產(chǎn) 技術(shù)有了飛速的發(fā)展,芯片亮度和可靠性不斷提高。在LED芯片的研發(fā)和生產(chǎn)過程中,器件外 量子效率的提高一直是核心內(nèi)容，因此，光提取效率的提高顯得至關(guān)重要。LED的光提取效率是指出射到器件外可供利用的光子與外延片的有源區(qū)由電子空穴復(fù) 合所產(chǎn)生的光子的比例。在傳統(tǒng)LED器件中，由于襯底吸收、電極阻擋、出光面的全反射等 因素的存在,光提取效率通常不到10%,絕大部分光子被限制在器件內(nèi)部無法出射而轉(zhuǎn)變成 熱，成為影響器件可靠性的不良因素,尤其在大

2、功率LED器件中1。為提高光提取效率，使得器件體內(nèi)產(chǎn)生的光子更多地發(fā)射到體外，并改善器件內(nèi)部熱特 性，經(jīng)過多年的研究和實(shí)踐，人們已經(jīng)提出了多種光提取效率提高的方法。下面介紹幾種較為 常見且有效的光提取效率提高的方法。倒裝結(jié)構(gòu)為了減少襯底對(duì)光子的吸收，采用了轉(zhuǎn)移襯底的倒裝結(jié)構(gòu)。對(duì)于GaAs基AlGalnP 系紅黃光LED,倒裝結(jié)構(gòu)是基于芯片鍵合(Wafer Bonding)技術(shù),將導(dǎo)電導(dǎo)熱性能更好的襯底 與外延片的P面鍵合，然后去除吸收光且導(dǎo)熱性能較差的GaAs襯底,使光從器件的N面透射 出來。一般情況下，在鍵合界面上都會(huì)制作全方位反射鏡,使射向不透明襯底一側(cè)的光子能反 射到出光面提取出來，因此

3、這種結(jié)構(gòu)大大提高了器件的光提取效率，倒裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。對(duì)于藍(lán)寶石外延襯底生長的GaN基藍(lán)、綠光LED,在去除藍(lán)寶石不導(dǎo)電襯底的同時(shí)， 采用了導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能更好的襯底材料(例如硅、銅等)使器件的散熱性能更好，而且避免了 雙面電極器件中電流擁堵問題，而且大大節(jié)約了芯片的面積，在大功率器件應(yīng)用上有重要意 義。目前，各科研單位和生產(chǎn)廠家都意識(shí)到了倒裝結(jié)構(gòu)芯片的優(yōu)勢。市場上銷售的尺寸 為40mil左右的大功率LED芯片除了 SiC襯底的藍(lán)光LED以外,大部分為采用Wafer Bonding 技術(shù)的芯片,在光強(qiáng)、功率方面較正裝芯片有非常明顯的優(yōu)勢。但是，倒裝芯片由于必須采用鍵合技術(shù)，在大規(guī)模生產(chǎn)

4、中成品率并不高，而且受鍵合 設(shè)備產(chǎn)能和工藝的限制，產(chǎn)能尚不能與普通正裝芯片相比，因此倒裝LED芯片的生產(chǎn)成本較 高。不過，由于芯片結(jié)構(gòu)本身巨大的開發(fā)潛力，隨著鍵合技術(shù)的深入研究與發(fā)展，成品率和產(chǎn) 能問題將會(huì)得到改善，倒裝芯片將會(huì)成為大功率LED芯片市場的主流。電流分布與電流擴(kuò)展結(jié)構(gòu)在上下電極結(jié)構(gòu)的LED器件中，電流從電極注入，發(fā)光的有源區(qū)電流集中在上電極 下面。由于LED器件縱向很薄，光基本只能從上表面出射，而金屬電極是不透明的，這使得有 源區(qū)所發(fā)的光大部分被上電極遮擋而無法透射出來。因此，在器件設(shè)計(jì)時(shí)，希望改變器件中電 流的傳輸方向，將電流盡量分布到電極周圍，再注入有源區(qū)發(fā)光,從而使發(fā)出的光

5、能夠被提取 出來，充分利用注入電流。為達(dá)到改善電流傳輸?shù)哪康?需要在LED電極下方制作電流擴(kuò)展層，目的是使電流 分散到電極之外。這要求外延片表面的有一層電導(dǎo)率高而且透明的材料。一般正裝LED芯片 上表面為P型，在生長工藝中很難做到高摻雜實(shí)現(xiàn)高電導(dǎo)率，因此要達(dá)到良好的電流擴(kuò)展效 果就需要很厚的電流擴(kuò)展層。還有一種方法是生長高摻雜的N型半導(dǎo)體與P型上表面形成隧 道結(jié)，利用N型半導(dǎo)體的高電導(dǎo)率來進(jìn)行電流擴(kuò)展,不過這種方法也沒有收到好的效果。改進(jìn) 的技術(shù)是用透明導(dǎo)電的氧化銦錫薄膜做電流擴(kuò)展層，用電子束蒸鍍的方法做在芯片上表面， 收到了很好的電流擴(kuò)展效果，而且并未帶來過多的附加壓降，成為電流擴(kuò)展方面常用

6、的技術(shù)。更為理想的改善電流運(yùn)輸?shù)姆椒ㄊ窃陔姌O下方制作電流阻擋層，阻隔電流,使電流 不從電極正下方通過。這樣增加了光出射區(qū)域的電流分布，減小電極的“陰影”，使光子更 好的從器件中提取出來。這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的方法有多種，一種是在外延結(jié)構(gòu)上選取的電流阻擋 區(qū)域上用二次外延的工藝或選區(qū)擴(kuò)散和離子注入工藝引入一個(gè)異質(zhì)結(jié)勢壘或PN結(jié),不過由 于工藝復(fù)雜、成本高，都未得到推廣。芯片形狀幾何化結(jié)構(gòu)為了改善有效電流的發(fā)光，在電極及芯片幾何形狀上進(jìn)行了深入的研究，典型的是 透明襯底與倒金字塔結(jié)構(gòu)，這樣一來，使得有源區(qū)產(chǎn)生的光子形成了五面出光的結(jié)構(gòu)而且可 以改變光子傳播方向，形成多次反射，相比正面出光的常規(guī)正裝結(jié)構(gòu)LE

7、D,其光提取效率得到 了很大的提高。表面微結(jié)構(gòu)LED芯片有源區(qū)產(chǎn)生的光子從芯片表面發(fā)射出來,由于器件出射面材料的折射率相 對(duì)較大（例如GaP的折射率為3.32,GaN為2.5）,在出射表面會(huì)產(chǎn)生全反射，導(dǎo)致只有部分角 度的光能夠從器件中出射出來，其他角度較大的光被反射回芯片內(nèi)部無法提取出來。這也是 LED芯片光提取效率低的一個(gè)重要原因。解決這一問題就需要對(duì)LED出光表面進(jìn)行處理。一般有幾種做法：增透膜技術(shù)、表面 粗化技術(shù)、光子晶體技術(shù)。增透膜技術(shù)是在LED的出光表面鍍做一層折射率在外延表層材料和空氣之間的透明 導(dǎo)電膜，通過調(diào)整該曾膜的折射率來增大出射角，使更大角度的光透射出來，減小全反射。以

8、表面為GaP的紅光LED為例，表面可以鍍一層SiOxN1-x,通過優(yōu)化調(diào)整SiOxN1-x,的折射率, 使光的出射角度最大，從而達(dá)到提高光提取效率的效果。然而，增透膜的方法對(duì)于用透明樹脂 或硅膠封裝的小功率芯片而言，由于樹脂或硅膠的厚度遠(yuǎn)大于增透膜厚度，從而使增透效果 被“掩蓋”。實(shí)驗(yàn)表明,雖然未封裝的帶有增透膜芯片光提取效率比無增透膜芯片亮度提高很 多，但是封裝后差距并不大。表面粗化技術(shù)是人為的將光滑平整的器件表面做出圖形，使得出光表面不再是一個(gè) 平面，光的出射角不再嚴(yán)格的遵守折射定律，從而使出射的光在出光面產(chǎn)生漫反射。這樣從有 源區(qū)發(fā)出的光就會(huì)以更大的概率出射，光的提取效率提高。一般的做法

9、是用蝕刻的方法在器 件的出光面做出許多小丘，控制小丘的密度和形狀，可以提高提高出光效率50%-70%。不過， 在實(shí)際的生產(chǎn)中，粗化表面特殊形狀的加工比較困難,推廣還有困難，大規(guī)模生產(chǎn)的工藝問題 還需要進(jìn)一步解決。在具有折射率周期性變化的結(jié)構(gòu)中，光子表現(xiàn)出波的性質(zhì)，與晶格中的電子相似,這種結(jié) 構(gòu)稱為光子晶體?？梢杂靡痪S、二維、三維的形式實(shí)現(xiàn)在光子晶體中引入缺陷，在帶隙中產(chǎn) 生局域態(tài)，意味著正常的自發(fā)輻射能夠只維持一個(gè)所希望的模而抑制其他模。一個(gè)DBR-DBR 的諧振腔LED就是實(shí)現(xiàn)了一維光子晶體的概念，含有一個(gè)缺陷,就一定波長長度的諧振腔。二維光子晶體應(yīng)用到LED中也有相關(guān)的報(bào)道,已經(jīng)有了多種制備二維光子晶體晶格 的技術(shù)，如光刻腐蝕、電化學(xué)、選擇性氧化等等。由于光子晶體限制了導(dǎo)波模，理論上的光提 取效率可以達(dá)到90%以上。但是光子晶體LED的研制尚為理論驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)室階段,尚不成熟。 不過，對(duì)于未來的LED光提取效率接近1的誘人前景，仍然吸引了很多研究機(jī)構(gòu)對(duì)此進(jìn)行研 究探索。結(jié)論綜上所述，雖然LED器件尚存在外量子效