超高辉度4元红光LED特性

发展历程

传统红光发光二极管用半导体晶圆，除了AlGaAs磊晶硅晶圆 (Epitaxial wafer) 之外，AlGaInP磊晶硅晶圆已经商品化。

若在AlGaInP磊晶硅晶圆表面，制作电极再切割成晶粒状(Die)，就可以制成发光二极管芯片，不过传统结构发光二极管受到底部基板的影响，光吸收损失非常大，一般认为12 lm/W得发光效率是红光发光二极管的最大极限。

有鉴于此研究人员在发光二极管组件内部设置金属反射膜(MR: Metal Reflector)，开发全新结构的红光发光二极管，达成发光效率48 lm/W，比传统结构提高4倍的高效率化宿愿。

发光二极管(LED)可以将电气转换成直接光，因此发光二极管被归类成半导体固态组件。

发光二极管充分发挥不需使用彩色滤光膜片，可以直接取出特定颜色的光线与低电压驱动的优点，目前已经广泛被当作各种电子机器的显示用光源，应用在各式各样的领域。

最近几年发光二极管的发光效率提升，加上蓝光与绿光发光二极管的实用化，如图1所示，发光二极管已经成为交通号志灯、汽车尾部组合灯(Rear combination lamp)、液晶显示器用背光照明模块，各种显示与照明的主要光源，持续拓展应用范围。

接着本文要介绍可以减低发光二极管基板的光损失，设有金属反射膜层、高辉度、发光效率是传统结构发光二极管的4倍、48 lm/W的AlGaInP 4元红光发光二极管的发光效率提升手法，以及金属反射膜发光二极管(MR-LED)的电气光学等各种特性。

金属反射膜LED的发光效率提升手法

如图2(a)所示传统发光二极管光源，利用注入半导体固态组件发光材料(发光层)的电子与正孔再结合获得的能量产生光线，该电气光线转换效率，以低缺陷AlGaInP结晶而言，大约可以达成70%以上的效率，材料上的特性提升可算是相当充分。

如图2(a)所示，芯片产生的光线会在半导体内部传递，接着透过发光二极管组件表面取至组件外部领域，该取光效率单纯的红光发光二极管结构，大约只有10%左右，为有效提高红光发光二极管的发光效率，必需透过发光二极管的结构设计与制程改善，提升表面穿透率与接口反射率。

红光发光二极管是在GaAs单结晶基板上，使用格子整合3元混晶AlGaAs或是AlGaInP4元混晶发光层，将GaAs单结晶基板当作发光组件，底部支撑基板使用的发光二极管。由于GaAs具备吸收红光物性，因此又称作受质基板型(AS Type: Absorbing Substrate Type)。

如图3(a)所示当初开发受质基板 (AS Type) 时，在GaAs基板上方制作发光层，由于该结构的组件表面，反射的光线与朝基板侧的光线全部被基板吸收，因此只能达成8 lm/W低电气光线转换效率。

虽然受质基板的开发，主要目的是提升发光效率，如图3(b)所示，受质基板型基本上属于半导体多层反射膜（DBR: Distributed Bragg Reflector）插入型，该结构利用半导体多层反射膜，使朝基板侧的光线反射，达成12 lm/W的电气光线转换效率。
 
然而半导体多层反射膜 (DBR)，具有斜方向光线不易反射的结构性缺陷，因此朝各方向放射的发光二极管光线，不会朝基板侧传递，结构上受到很大的限制。

为提高红光发光二极管的发光效率，研究人员深入检讨可以使斜向入射至基板的光线完全反射的结构，开发图3(c)所示，使用金属薄膜的反射结构除了垂直方向之外，对斜向入射的光线，同样具备高反射特性的金属反射膜发光二极管 (MR-LED)。

金属反射膜发光二极管 (MR-LED)，不易同时具备发光层、金属反射膜反射率与低电气阻抗特性，而且无法在金属反射膜上制作低缺陷的发光层，因此研究人员针对同时具备反射率与低电气阻抗问题，透过组件结构的设计进行对策，发光层的缺陷问题则透过基板贴换技术，使用与GaAs单结晶基板上结晶同等级的低缺陷AlGaInP发光层。

基板贴换技术如如图4所示，(1)首先准备低缺陷AlGaInP磊晶硅晶圆，(2)接着将发光层黏贴至底部支撑基板，(3)最后从已经贴合的晶圆去除GaAs基板，就可以在底部支撑基板上面形成具备发光层的结构。

初期特性

有关金属反射膜型发光二极管(MR Type LED)与受质基板型发光二极管(AS Type LED)的特性，两芯片的外形都是300×300μm角柱形。
 
图5是这两种发光二极管实际发光的照片，由照片可知，金属反射膜型发光二极管的发光比受质基板型发光二极管亮。

如表1的金属反射膜型发光二极管(MR Type LED)与受质基板型发光二极管(AS Type LED)初期特性比较一览所示，顺向电流20mA通电时的光束为1.92 lm，可以实现48 lm/W的发光效率，金属反射膜型发光二极管(MR Type)比受质基板型发光二极管(AS Type)，发光效率提高4倍以上。

图6是上述两种红光LED的顺向电流－光束特性，由图可知，光线强度亦即光束对电流呈直线增加，即使受到发热的影响，光输出并未降低。

图7是上述两种红光LED的顺向电流－顺向电压特性，由图可知，虽然金属反射膜型发光二极管(MR Type)的顺向电压比受质基板型发光二极管 (AS Type)高，不过却可以达成实用上要求的2.2V以下顺向电压(IF=20mA)，证实即使是金属反射膜结构，串联阻抗同样可以被充分削减。

晶圆面内的分布

发光二极管当作显示用途并排使用的场合，如果光强度有分布不均，会引发辉度不均。

此外定电压驱动时要求相同的顺向电压，因此研究人员调查3英吋金属反射膜型发光二极管 (MR Type)晶圆的光束，与顺向电压的面内分布特性。

光束的面内分布特性如图8所示，面内平均为1.86 lm(σ=0.05 lm)，面内分布在±10%范围内，证实新型红光发光二极管，可以实现高输出、高均匀性的要求。

顺向电压的分布图9所示，面内平均为1.98 lm(σ=0.02V)，面内分布在±5%范围内，证实新型红光发光二极管，同样可以实现低电压、高均匀性的要求。

根据上述面内分布特性，与受质基板型发光二极管 (AS Type) 的晶圆分布几乎完全相同，证实分布特性不会受到金属反射膜结构的制程影响大幅改变。

续通电特性

金属反射膜型发光二极管 (MR Type) 若与受质基板型发光二极管 (AS Type) 比较，制作基板贴换等金属反射膜结构时，容易受到热与压力造成的负载，对组件的可靠性可能产生不良影响，必需进行可靠性试验才能够确认。
 
图10是以IF=50mA，进行一周室温连续通电特性变化试验的光束、顺向电压、逆向电压测试结果。

根据测试结果可知上述2种新型红光发光二极管特性完全没有改变，证实即使制作金属反射膜型结构，同样可以获得充分的可靠性。

结语

以上介绍使用金属反射膜(MR)结构，新型高发光效率AlGaInP 4元红光发光二极管。

为提高取光效率，研究人员开发金属反射膜型发光二极管(MR-LED)的结构设计与制作技术，达成48 lm/W的超高发光效率。

超高发光效率的发光二极管，可以应用在户外混色很鲜明的辨识用途，例如户外大型显示器要求鲜艳显示、或是汽车尾组合灯等等。

此外发光效率不足，迟迟无法实用化的大型液晶显示器用LED背光照明模块，也是新型红光发光二极管，可以充分发挥特性的领域。