LED亮度提高的方法

LED亮度提高的方法.txt愛一個(gè)人很難，恨一個(gè)人更難，又愛又恨的人最難。愛情永遠(yuǎn)不可能是天平，想在愛情里幸福就要舍得傷心！有些煩惱是我們憑空虛構(gòu)的，而我們卻把它當(dāng)成真實(shí)去承受。2005年第46卷第3期光電技術(shù)EIECTRO—OPTICSTECHNOLOGYVo1．46No．3．2005提高LED亮度的技術(shù)途徑吉群(華東電子集團(tuán)公司，南京210028)摘要發(fā)光二極管成為近年來最受重視的光源之一。由于其輕、薄、短、小的特性，以及封裝型式的耐沖擊、耐震及特殊的發(fā)光分布，加上特別長的壽命使得發(fā)光二極管的確是一種優(yōu)異的光源選擇。提高發(fā)光二極管發(fā)光效率是當(dāng)前的重要任務(wù)之一，本文從材料和封裝工藝及結(jié)構(gòu)技術(shù)等多方面因素來闡述提高LED亮度的途徑。關(guān)鍵詞LEDGaN發(fā)光效率材料和工藝1前言熒光燈具雖然有目前較高的發(fā)光效率、較低的制造成本等優(yōu)點(diǎn)，但是因?yàn)闊晒鉄艟叩臒艄苤泻?，而用于封裝熒光燈具的材料又以可吸收紫外線的玻璃為主，玻璃易碎的特性加上汞廢料的不易回收，均會嚴(yán)重地造成環(huán)境的污染。因此歐盟已經(jīng)明令將在2007年開始禁用這些含汞制品，也因此新型照明燈源的開發(fā)已經(jīng)成為各國政府發(fā)展的目標(biāo)，而LED(1ightemittingdiode)，也就是我們平常說的發(fā)光二極管，更是目前各國在照明方面發(fā)展的重點(diǎn)。發(fā)光二極管有一個(gè)很大的特點(diǎn)，就是具備低電流、低電壓驅(qū)動(dòng)的特性，而這樣的特性在世界能源缺乏及各國針對綠色環(huán)保觀念的提高同時(shí)，尤其吸引大家的注意。目前各國政府除了致力于新型能源的開發(fā)外，對現(xiàn)有電器設(shè)備效率的提高及環(huán)保的研究亦相當(dāng)重視。而在研發(fā)如何降低工業(yè)用電量的同時(shí)．目前普及率約80％的家電用品耗電量也逐漸受到重視。在照明發(fā)光方面，如何使得發(fā)光二極管具有熒光燈那樣的高發(fā)光效率(66—100lm／w)去替代熒光燈和傳統(tǒng)使用的60W白熾燈泡具有特別重要的意義。隨著近年來對發(fā)光二極管的材料、工藝和結(jié)構(gòu)技術(shù)的深入研究，明確了提高LED效率的途徑：發(fā)光二極管的發(fā)光效率一般稱為組件的外部量子效率(externalquantumefficiency)，其為組件的內(nèi)部量子效率(internalquantumefficiency)及組件的取出效率(extractionefficiency)的乘積。所謂組件的內(nèi)部量子效率其實(shí)就是組件本身的電光轉(zhuǎn)換效率，主要與組件本身的特性如組件材料的能帶、缺陷、雜質(zhì)及組件的異質(zhì)外延晶體組成及結(jié)構(gòu)等相關(guān)。而組件的取出效率指的則是組件內(nèi)部產(chǎn)生的光子，在經(jīng)過組件本身的吸收、折射、反射后實(shí)際上在組件外都可測量到的光子數(shù)目。因此相關(guān)于取出效率的因素包括了組件材料本身的吸收、組件的幾何結(jié)構(gòu)、組件及封禁材料的折射率差、組件結(jié)構(gòu)的散射特性等。而上述兩種效率的乘積，就是整個(gè)組件的發(fā)光效果，也就是組件的外部量子效率。早期組件發(fā)展集中在提高其內(nèi)部量子效率，方法主要是利用提高異質(zhì)外延晶體的品質(zhì)及改變異質(zhì)外延晶體的結(jié)構(gòu)，使電能不易轉(zhuǎn)換成熱能，進(jìn)而間接提高LED的發(fā)光效率，此法可獲得約70％左右的理論內(nèi)部量子效率。但是這樣的內(nèi)部量子效率幾乎已經(jīng)接近理論的極限，在這樣的狀況下，光靠提高組件的內(nèi)部量子效率是不可能提高組件的總光通量，也就是外部量子效率達(dá)到目前的2—3倍，因此提高組件的取出效率便成為重要的課題。2材料技術(shù)2．1材料晶格匹配對于半導(dǎo)體發(fā)光二極管而言，晶格的匹配是一個(gè)重大的課題，因?yàn)閷τ诖蟛糠症笠籚族半導(dǎo)體而言，并沒有剛好適合的基板(substrate)可承載上方的異質(zhì)外延晶體層，而成長的異質(zhì)外延晶體層其晶格大小必須與基板的晶格匹配，才不至因應(yīng)力的因素導(dǎo)致品格缺焰，使得組件發(fā)出的光子被缺陷吸收，而大幅降低組件的發(fā)光效率。最早的Ⅲ一V族半導(dǎo)體異構(gòu)異質(zhì)外延晶體(heteroepitaxy)是采用GaAs作基板，并在其上成GaA1As的異質(zhì)外延晶體層，因?yàn)檫@兩種料的晶格非常近似，所以異質(zhì)外延晶體層與基片之間的應(yīng)力極小，因此研發(fā)過程中并無發(fā)維普資訊16光電技術(shù)第45卷生太大的困擾。但是后來陸續(xù)發(fā)展出來的異質(zhì)外延晶體如GaAshP成長在GaAs基板上，或是GaAs~P1．成長在GaP基板上都有應(yīng)力存在的問題。因此在光電材料中，往往通過調(diào)整二元、三元甚至四元材料的比率，這樣一來除了可以借不同大小的多元原子的比例來匹配基片的晶格結(jié)構(gòu)，也可因?yàn)檎{(diào)整半導(dǎo)體的能隙大小，而調(diào)整發(fā)光組件發(fā)光的波長，唯這樣的方法在異質(zhì)外延晶體參數(shù)的調(diào)整上也復(fù)雜許多，也因此可以看出，異質(zhì)外延晶體技術(shù)可以稱為半導(dǎo)體發(fā)光組件技術(shù)中的核心。而在異質(zhì)外延晶體方法提高的同時(shí)，異質(zhì)外延晶體的結(jié)構(gòu)也持續(xù)地在改良。最早的結(jié)構(gòu)當(dāng)然是傳統(tǒng)p-n接面的發(fā)光二極管，但是其發(fā)光效率并無法得到明顯地改良，因此利用單一異質(zhì)接面(SingleHeterojunction，SH)結(jié)構(gòu)的方法開始被使用在異質(zhì)外延晶體的工藝流程上，可以提高二極管中少數(shù)載子注入(minoritycarrierinjection)效率，因此發(fā)光效率獲得明顯地提高。之后更發(fā)展出雙異質(zhì)接面(DoubleHeterojunction，DH)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)兩邊的材料能隙高于中間者，因而可以非常有效地將雙邊之載子注入到中間層且將這些載子完全困在這一范圍內(nèi)，而產(chǎn)生非常高的光電轉(zhuǎn)換效能。最新的方法當(dāng)然是在異質(zhì)外延晶體層當(dāng)中采用量子結(jié)構(gòu)，當(dāng)雙異質(zhì)接面結(jié)構(gòu)的中間層厚度逐漸縮小到數(shù)10埃(A)時(shí)，電子或電洞即產(chǎn)生量子效應(yīng)，而可大幅提高光電轉(zhuǎn)換之效果。異質(zhì)外延晶體技術(shù)主要是針對Ⅲ一V族材料中發(fā)光波長集中在紅、黃光波段材料的GaAs系列。這系列的發(fā)光二極管發(fā)展較早，也較早獲得較佳的結(jié)果。但是若希望獲得全彩的半導(dǎo)體光源，無論如何必須發(fā)展出藍(lán)、綠光波段的半導(dǎo)體發(fā)光二極管，而GaN系列的發(fā)光二極管也在這樣的需求下，在近年來有了明顯的進(jìn)步。2．2GaN材料難題的克服應(yīng)用于藍(lán)、綠光發(fā)光二極管的材料，早期主要是ZnSe及GaN。因?yàn)閆nSe脊可靠度的問題，因此才讓GaN有更大的發(fā)展空間。只是早期GaN的研究遲遲未能獲得明顯的進(jìn)展。主要是因?yàn)橐恢睙o法找到與GaN晶格常數(shù)相匹配的基板，造成異質(zhì)外延晶體中缺陷密度過高，也因此發(fā)光效率始終無法提高。另一個(gè)造成GaN無法獲得突被的原因，在于組件的P．GaN部分成長不易，不但P．GaN的摻雜(doping)過低，且其電洞之移動(dòng)率(mobility)也較低。一直到1983年日本的田貞史(S．Yoshida)等人在藍(lán)寶石(Sapphire)基板上先用高溫成長氮化鋁(AlN)當(dāng)作緩沖層，然后成長出的GaN才獲得較佳的結(jié)晶。之后名古屋大學(xué)的赤崎勇教授(I．Akasaki)等人利用MOCVD在低溫下(600℃)先成長AIN緩沖層。而得到其上方在高溫成長后如鏡面般的GaN。1991年日亞公司(NichiaCo．)的研究員中村修二(S．Nakamura)利用低溫成長GaN之非結(jié)晶緩沖層，再以高溫成長得到同為鏡面般的GaN，此時(shí)異質(zhì)外延晶體部分的問題已經(jīng)獲得重大的突破。另一方面。1989年赤崎勇教授利用電子束照射鎂(Mg)摻雜之P．GaN，可得到明顯之P型GaN，之后日亞公司的中村修二更直接利用700℃的熱退火完成P型GaN的制作，至此困擾GaN發(fā)展的兩個(gè)重大問題終獲得突破。1993年，日亞公司利用上面的兩項(xiàng)研究。成功開發(fā)出可發(fā)出一燭光(Candela)的GaN藍(lán)光發(fā)光二極管，其壽命達(dá)數(shù)萬小時(shí)。而后綠光發(fā)光二極管、藍(lán)、綠光二極管雷射陸續(xù)被開發(fā)出來。2．3提高白光LED光效在各色LED發(fā)光效率開始大幅提高的同時(shí)。將高亮度LED應(yīng)用于照明的可能性也越來越高。而這樣應(yīng)用的參量在于如何開發(fā)出白光發(fā)光二極管。目前利用發(fā)光二極管配成白光的方法主要為3種，分別說明如下：A．單晶藍(lán)光LED與黃光熒光粉日亞公司在藍(lán)光發(fā)光半導(dǎo)體成功被開發(fā)出來之后，隨著開發(fā)出來的產(chǎn)品便是白光發(fā)光二極管。其實(shí)日亞公司的白光發(fā)光二極管并不是半導(dǎo)體材料本身直接發(fā)出白光，而是借助藍(lán)光發(fā)光二極管激發(fā)涂布在其上方的黃光YAG熒光粉，熒光粉被激發(fā)后產(chǎn)生的黃光與原先用于激發(fā)的藍(lán)光互補(bǔ)而產(chǎn)生白光。目前日亞公司市售商品乃是利用460nm的In．GaN藍(lán)光半導(dǎo)體激發(fā)YAG熒光粉，而產(chǎn)生出555nm的黃光，且已經(jīng)完全商品化，與其它幾家同樣在發(fā)展高亮度LED的大廠LumiledsLighting、Cree、豐田合成(ToyodaGosei)在LED市場上不斷在競合。而隨著藍(lán)光晶粒發(fā)光效率的不斷提高及YAG熒光粉合成技術(shù)的逐漸成熟，藍(lán)光晶粒與黃光維普資訊第3期吉群：提高LED亮度的技術(shù)途徑17熒光粉封裝的白光發(fā)光二極管為目前較成熟的白光發(fā)光二極管技術(shù)。B．單晶型UVLED+RGB熒光粉雖然說利用籃光晶粒配合黃光YAG熒光粉的白光發(fā)光二極管封裝技術(shù)是目前較成熟的技術(shù)，但是利用這樣方法封裝出來的白光發(fā)光二極管有幾個(gè)嚴(yán)重的問題遲遲無法解決。首先是均勻度的問題，因?yàn)榧ぐl(fā)黃光熒光粉的藍(lán)光顆粒實(shí)際上參與白光的配色，因此藍(lán)光晶粒發(fā)光波長的偏移、強(qiáng)度的變化及熒光粉涂布厚度的改變均會影響白光的均勻度。最常看見的便子便是利用這種方式封成的白先發(fā)光二極管，中央的部分看起來較藍(lán)(或較白)，而旁邊的區(qū)域看起來較黃(熒光粉涂布較厚)，每一顆白光發(fā)光二極管的顏色更不盡相同。UVLED配三色(R．G．B)熒光粉提供了另一個(gè)方向研發(fā)方向。其方法主要是利用實(shí)際上不參與發(fā)出白光的UVLED激發(fā)紅、綠、藍(lán)三色熒光粉，借助三色熒光粉發(fā)出的三色光配成白光。這樣的方法因?yàn)閁vLED不實(shí)際參與白光的配色，因此UvLED波長與強(qiáng)度的波動(dòng)對于配出的白光而言不會特別的敏感。并可借助各色熒光粉的選擇及配比，調(diào)制出可接受色溫及演色性的白光。而在專利方面。利用UVLED+RGB熒光粉相關(guān)的研發(fā)仍有相當(dāng)?shù)陌l(fā)揮空間。但是這樣的技術(shù)雖然有種種的優(yōu)點(diǎn)，但是仍有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)難度，這些困難包括了配合熒光粉紫外光波長之選擇(熒光粉最佳轉(zhuǎn)換效率之激發(fā)波長)、UVLED制作的難度及抗UV封裝材料的開發(fā)等等，均待各研發(fā)單位一一去解決。C．多得型RGBLED將發(fā)出紅、藍(lán)、綠三種顏色的晶粒，直接封裝在一起，借助紅、綠、藍(lán)三色直接配成白光的方式。可制成白光發(fā)光二極管。利用三色晶粒直接封裝成白光二極管這種方法是最早用于制成白光的方式，其優(yōu)點(diǎn)是不需經(jīng)過熒光粉的轉(zhuǎn)換，借助三色晶粒直接配成白光，除了可避免因?yàn)闊晒夥坜D(zhuǎn)換的損失而得到較佳的發(fā)光效率外，更可以借助分開控制三色發(fā)光二極管的光強(qiáng)度，達(dá)成全彩的變色效果(可變色溫)，并可借助晶粒波長及強(qiáng)度的選擇得到較佳的演色性。但其缺點(diǎn)為混光困難，使用者在此光源前方各處可輕易觀察到多種不同的顏色，并在各遮蔽物后方看到彩色的影子。另外，因?yàn)樗褂玫娜齻€(gè)晶粒都是熱源，散熱問題更是其它種封裝型式的3倍，而增加其使用上的困難。3封裝工藝和結(jié)構(gòu)3．1提高白光LED組件取出效率的方法主要可以分為下列幾個(gè)方向：A．晶粒外型的改變一TIP結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)發(fā)光二極管晶粒的制作為標(biāo)準(zhǔn)的矩型外觀。因?yàn)橐话惆雽?dǎo)體材料折射系數(shù)與封裝環(huán)氧樹脂的差異大，而使交界面全反射臨界角小，而矩形的四個(gè)截面互相平行，光子在交界面離開半導(dǎo)體的機(jī)率變小，讓光子只能在內(nèi)部全反射直到被吸收殆盡，使光轉(zhuǎn)成熱的形式，造成發(fā)光效果更不佳。因此，改變LED形狀是一個(gè)有效提高發(fā)光效率的方法。HP公司所發(fā)展的TIP(TruncatedInvertedPyramid)型晶粒結(jié)構(gòu)，4個(gè)截面將不再是互相平行，而光就可很有效地被引出來，外部量子效率則大幅提高至55％，發(fā)光效率高達(dá)100流明／瓦，是第一個(gè)達(dá)到此目標(biāo)的發(fā)光二極管。然而HP的TIPLED只適用在易于加工的四元紅光發(fā)光二極管上，對于使用硬度極高的藍(lán)寶石(Sapphire)基板之GaN系列發(fā)光二極管而言有相當(dāng)?shù)睦щy。2001年初，Cree公司用同樣的結(jié)構(gòu)概念，挾著其基板是SiC的優(yōu)勢，也成功將GaN／SiC發(fā)光二極管同樣作成具有斜面之LED，并將外部量子效率大幅提高至32％；然而SiC基板比Sapphire貴很多，因此目前在這一技術(shù)上，尚無進(jìn)一步的進(jìn)展。B．表面粗化surfaceroughness)技術(shù)借助將組件的內(nèi)部及外部的幾何形狀粗化，破壞光線在組件內(nèi)部的全反射，提高組件的使出效率。這樣的方法最早是由日亞化學(xué)所提出，其粗化方法基本上是在組件的幾何形狀上形成規(guī)則的凹凸形狀，而這種規(guī)則分布的結(jié)構(gòu)也依所在位置的不同分為兩種形式，一種是在組件內(nèi)設(shè)置凹凸形狀，另一種方式是在組件上方制作規(guī)則的凹凸形狀，并在組件背面設(shè)置反射層。由于使用傳統(tǒng)工藝流程即可在GaN系化合物半導(dǎo)體層的界面設(shè)置凹凸形狀，因此上述第一種方式具有較高的實(shí)用性。目前若使用波長為405nm的紫外組件，可獲得43％外部量子效率，取出效率為60％，為目前全球最高的外部量子效率與取出效率。維普資訊18光電技術(shù)第45卷C．芯片粘貼技術(shù)(waferbonding)因?yàn)榘l(fā)光二極管所產(chǎn)生的光線在經(jīng)過多次全反射后，大部份都被半導(dǎo)體材料本身與封裝材料所吸收。因此若使用會吸光的GaAs作為AIGaInPLED的基板時(shí)，將使得發(fā)光二極管內(nèi)部的吸收損失變更大，而大幅降低組件的取光效率。為了減少基板對LED所發(fā)出光線的吸收，HP首先提出透明基板之粘貼技術(shù)。所謂的透明基板粘貼技術(shù)主要是將發(fā)光二極管晶粒先在高溫環(huán)境下施加壓力，并將透明的GaN基板粘貼上去，之后再將GaAs除去，如此便可提高二倍的光線取出率。上述的芯片粘貼技術(shù)目前主要還是應(yīng)用在四元LED組件上，然而近來也開始將此技術(shù)運(yùn)用在GaNLED上。OsramOptoSemiconductors在2003年2月也發(fā)表了新的研究成果～ThinGaN，可將藍(lán)光LED取光效率提高至75％，比傳統(tǒng)提高了3倍。D．覆晶封裝技術(shù)(Flipchip)對于使用藍(lán)寶石基板(sapphiresubstrate)的GaN系列的材料而言，因?yàn)槠銹極及N極的電極必須做在組件的同一側(cè)，因此若使用傳統(tǒng)的封裝方法。占組件大部分發(fā)光角度的上方發(fā)光面將會因?yàn)殡姌O的擋光而損失相當(dāng)程度的光量。所謂的FlipChip結(jié)構(gòu)即是將傳統(tǒng)的組件反置，并在p型電極土方制作反射率較高的反射層，藉以將原先從組件上方發(fā)出的光線從組件其它的發(fā)光角度導(dǎo)出，而由藍(lán)寶石基板端緣取光。這樣的方法因?yàn)榻档土嗽陔姌O側(cè)的光損耗，可有接近于傳統(tǒng)封裝方式兩倍左右的光通量輸出。另一方面，囚為覆晶結(jié)構(gòu)可直接借助電極或是凸塊與封裝結(jié)構(gòu)中的散熱結(jié)構(gòu)直接接觸，而大幅提高組件的散熱效果，進(jìn)一步提高組件的光通量。3．2封裝形式和結(jié)構(gòu)隨著白光發(fā)光二極管發(fā)光效率的逐步提高，將白光發(fā)光二極管應(yīng)用在照明的可能性也越來越大，但是很明顯地。單顆白光發(fā)光二極管其驅(qū)動(dòng)電源均偏低，因此以目前的封裝形式是不太可能以單顆白光發(fā)光二極管來達(dá)到照明所需要的流明數(shù)。針對于這個(gè)問題，目前主要的解決方法大致上可分為兩類，一類是較傳統(tǒng)地將多顆發(fā)光二極管利用組成光源模塊來使用，而其中每單顆發(fā)光二極管所需要的驅(qū)動(dòng)電源與一般所使用的相同(約為20～30mA)；另種方法為目前幾個(gè)高亮度發(fā)光二極管制造商所使用的方法，即是使用所謂的大晶粒工藝流程，此時(shí)不再使用傳統(tǒng)晶粒的大小(0．3mm2)，而將晶粒工藝流程為更大的尺寸(0．6mm2～1mm2)，并使用高驅(qū)動(dòng)電流來驅(qū)動(dòng)這樣的發(fā)光組件(一般為150～350mA，目前更可高至500mA以上)。但無論是使用何種方法，都會因?yàn)楸仨氃跇O小的發(fā)光二極管封裝中處理極高的熱量，若組件無法散去這些高熱，除了各種封裝材料會因?yàn)楸舜碎g膨脹系數(shù)的不同而有產(chǎn)品可靠度的問題，晶粒的發(fā)光效率更會隨著溫度的上升而有明顯地下降，并造成其受明顯地縮短。因此如何散去組件中的高熱，成為目前發(fā)光二極管封裝技術(shù)的重要課題。對于發(fā)光二極管而言。其最重要的便是輸出的光通量及光分布，所以發(fā)光二極管其中一端必定不能遮光，而需使用高透明效果的環(huán)氧樹脂材料包覆。然而目前的環(huán)氧樹脂幾乎都是不導(dǎo)熱材料，因此對于目前的發(fā)光二極管封裝技術(shù)而言，其主要的散熱均是利用其發(fā)光二極管晶粒下方的金屬腳座(1ead—frame)以散去組件所發(fā)出的熱量。就目前的趨勢看來，金屬腳座材料的選擇主要是以高熱傳導(dǎo)系數(shù)的材料為組成，如鋁、銅甚至陶瓷材料等，但這些材料與品粒間的熱膨脹系數(shù)差異甚大，若將其直接接觸很可能因?yàn)樵跍囟壬邥r(shí)材料間產(chǎn)生的應(yīng)力而造成可靠度的問題，所以一般都會在材料間加上兼具傳導(dǎo)系數(shù)及膨脹系數(shù)的中間材料作為間隔。采用上述的觀念，松下電器于2003年將多顆發(fā)光二極管制成在金屬材料與金屬系復(fù)合材料所制成的多層基板模塊上以形成光源模塊，利用光源基板的高導(dǎo)熱效果，使光源的輸出在長時(shí)間使用下仍能維持穩(wěn)定。同樣利用高散熱基板的想法，Lumileds將其應(yīng)用在大面積晶粒的產(chǎn)品上。Lumileds基板所使用的材料為具有高傳導(dǎo)系數(shù)的銅材，再將其連接至特制之金屬電路板，兼顧電路導(dǎo)通及增加熱傳出之效果。結(jié)構(gòu)見圖1。而除了Lumileds外，包括OsramOptoSemicon—ductors及日亞化學(xué)皆已推出1W以上大晶粒的產(chǎn)品。從這些高亮度發(fā)光二極管制造商紛紛推出大晶粒、大功率的產(chǎn)品看來，似乎大晶粒相關(guān)的工藝流程、封裝技術(shù)似乎已經(jīng)漸漸成為高亮度發(fā)光二極管的主流。然而大晶粒相關(guān)的工藝流程及封裝技術(shù)不只是將晶粒面積做