如何改善LED芯片效率

在科技高度发展的今天，电子产品的更新换代越来越快，LED灯的技术也在不断发展，为我们的城市装饰得五颜六色。当前的市场上出现了很多ITO(氧化铟锡，Indium Tim Oxide)芯片，这种芯片的亮度比通用电极的芯片亮度要高20%-30%左右。ITO是一种透明的n型半导体导电薄膜，常温下其带隙约为3.5-4.3eV，载流子浓度在1019-1023cm3之间，因此具有良好的导电性(电阻率一般在1.10-3Ω·cm以下)和较高的可见光区透过率(在可见光波段的光透射高于80%)。

与其他透明导电薄膜相比，ITO具有良好的化学稳定性和热稳定性。ITO对衬底具有良好的附着性和图形加工也行，是目前理想的导电薄膜，并且在光电器件的透明电极领域得到了广泛的应用。近几年来，GaN基白光LED的照明产品逐渐进入实用阶段;如果在GaN基LED中用ITO代替Ni/Au作为p型电极，那么同等条件下可使LED的出光效率提高20%-30%。

★ 倒装法

传统的蓝宝石衬底的GaN芯片结构如图A.1所示，电极刚好位于芯片的出光面。由于p-GaN层表面沉淀一层用于电流扩散的金属层。这个电流扩散层由Ni和Au组成，会吸收部分光，从而降低出光效率。如果将芯片倒装(如图A.2所示)，那么电流扩散层(金属反射层)就成为光的反射层。这样光可通过蓝宝石衬底发射出去，从而提高了出光效率。

★ 衬底剥离技术

衬底剥离技术首先由惠普公司在AlGaInP/GaAsled衬底上实现。因为GaAs衬底使得LED内部光的吸收损失非常大，通过剥离GaAschendi ,然后将其粘接在透明的GaP衬底上，可以提高近两倍的发光效率。

GaN基LED的衬底一般为蓝宝石材质，蓝宝石为绝缘体，导热性能较差，因此LED的电极都在上表面。又因为p型欧姆接触电极的制备比较困难，所以需要使用p型透明电极，其加工工艺比较困难，必须同时保证低欧姆接触电阻和较高的光透射率。若电极做得不好，透光率较低，没有透射出去的光会由LED吸收从而产生热量，这样对LED的出光效率和内量子效率的提高都将造成难以克服的困难。

蓝宝石衬底激光剥离技术(LLO)是基于GaN的同质外延层而发展的一项技术，是于上个世纪末提出的。这种剥离技术利用紫外激光照射衬底，继而熔化缓冲层来实现衬底的剥离。该技术可以将LED的出光效率提高至75%。衬底剥离的示意图如图A.3所示。采用衬底剥离技术的工艺和现有工艺相比，需要增加两道新的工艺过程，但是可以减少10道原有的工艺过程，请参见表A.1。减少工艺工程，就相当于减少了材料消耗、提高成品率，同时减少工时、节省人员、降低成本。另外，由于蓝宝石衬底可以重复使用，同样也降低了外延片的成本。

在使用的设备方面，剥离衬底工艺要增加一套激光剥离系统和一台普通切割机，但是可以减少减薄机、抛光机、划片机、裂片机、离子刻蚀机等设备。

因此，采用衬底剥离技术的工艺有以下几个方面的优势：

•剥离绝缘的蓝宝石衬底后，可把p型电极做到底面，衬底上表面的p型和n型两个电极只剩下n型电极，因此可以增加出光面积，从而提高出光效率。

•剥离了导光性能不好的蓝宝石(在100℃为25W/(m·K))，换成导电导热性能更好的衬底，这样可使热量很快地传导到热沉上，从而提高了导热性能。这非常适用于大功率器件。

•消除了蓝宝石与GaN之间晶格的压力失配，从而使光谱变窄。

•由于将衬底换成导电沉底，因此有利于消除静电损伤。

•由于散热性能改善，因此抗静电能力提高，有利于器件的封装。

★ 改变芯片的几何外形

通过改变芯片的几何外形，可以减少光在芯片中的传播路程，从而降低光的吸收损耗。LED一般都是立方体的结构，这样的结构使得光在LED内部会传播很长的路径，造成有源层和自由载流子对光的吸收加剧，如图A.4所示。将LED晶片切去四个方向的下角(斜面与垂直方向的夹角为35°)，从而形成倒金字塔形。

LED的这种几何外形可使内部反射的光从侧壁的内表面再次传播到上表面，从而以小于临界角的角度出射;同时使那些传播到上表面且大于临界角的光重新从侧面出射。这两种过程能同时减少光在LED内部传播的路程。另外，还可以将正方形的LED芯片改为圆形。根据北京大学隋文辉等人的研究，对于圆盘型光学微腔可以证实：圆形的LED存在四音壁模式和圆盘的径向模式，若将倒金字塔形的LED结构改为倒圆锥体并加上微细结构的设计，确实可以明显加强LED出射的光强。

★ 表面粗化技术

为了抑制GaAs与空气折射率相差过大而造成的全反射光较多的问题，可采用把p-GaN表面粗化的方法，如图A.5(a)所示。光线入射时大于全反射角的光线在表面平整时不会出射，但是如果在芯片内部遇到杂质，就会产生散射,结果造成光线出射，如图A.5(b)所示。光线在芯片内的光程过长必定会衰减剧烈，粗化表面(即将表面打毛)后可使部分全反射光线以散射光的形式出射，从而增加了出光机会、提高了出光效率。

也可以直接将LED上表面打毛，如图A.5(c)所示，但是这种做法对有源层及透明电极会造成一定的损伤，并且实现起来也较为困难，因此多数是采用直接刻蚀成型，使上表面粗化，产生散射。

★ 分布式布拉格反射层(DBR)法

LED结区发出的光是向上、下两个表面出射的，而封装好的LED是“单向”出光的，因此有必要将向下入射的光反射或直接出射。直接出射的方法即为透明衬底法，但是这种方法的成本较高、工艺复杂。

布拉格反射层是两种折射率不同的材料周期交替生长的层状结构，它位于有源层和衬底之间。能够将射向衬底的光利用布拉格反射原理反射回上表面。分布式布拉格反射层法(如图A.6所示)可以直接利用MOCVD设备进行生长，其生产成本可以降低很多。随着LED制作芯片技术的发展，今后还会出现更多的新技术可以提高LED芯片的出光效率。特别是在提高LED芯片的抗静电能力、减少LED芯片的发热和提高发光效率方面必将有更好的芯片出现。

总结下来，也就是以下这些方法：

透明衬底技术InGaAlP

LED通常是在GaAs衬底上外延生长InGaAlP发光区GaP窗口区制备而成。与InGaAlP相比，GaAs材料具有小得多的禁带宽度，因此，当短波长的光从发光区与窗口表面射入GaAs衬底时，将被悉数吸收，成为器件出光效率不高的主要原因。在衬底与限制层之间生长一个布喇格反射区，能将垂直射向衬底的光反射回发光区或窗口，部分改善了器件的出光特性。一个更为有效的方法是先去除GaAs衬底，代之于全透明的GaP晶体。由于芯片内除去了衬底吸收区，使量子效率从4%提升到了25-30%。为进一步减小电极区的吸收，有人将这种透明衬底型的InGaAlP器件制作成截角倒锥体的外形，使量子效率有了更大的提高。

金属膜反射技术

透明衬底制程首先起源于美国的HP、Lumileds等公司，金属膜反射法主要有日本、台湾厂商进行了大量的研究与发展。这种制程不但回避了透明衬底专利，而且，更利于规模生产。其效果可以说与透明衬底法具有异曲同工之妙。该制程通常谓之MB制程，首先去除GaAs衬底，然后在其表面与Si基底表面同时蒸镀Al质金属膜，然后在一定的温度与压力下熔接在一起。如此，从发光层照射到基板的光线被Al质金属膜层反射至芯片表面，从而使器件的发光效率提高2.5倍以上。

表面微结构技术

表面微结构制程是提高器件出光效率的又一个有效技术，该技术的基本要点是在芯片表面刻蚀大量尺寸为光波长量级的小结构，每个结构呈截角四面体状，如此不但扩展了出光面积，而且改变了光在芯片表面处的折射方向，从而使透光效率明显提高。测量指出，对于窗口层厚度为20μm的器件，出光效率可增长30%。当窗口层厚度减至10μm时，出光效率将有60%的改进。对于585-625nm波长的LED器件，制作纹理结构后，发光效率可达30lm/w，其值已接近透明衬底器件的水平。

倒装芯片技术

通过MOCVD技术在兰宝石衬底上生长GaN基LED结构层，由P/N结发光区发出的光透过上面的P型区射出。由于P型GaN传导性能不佳，为获得良好的电流扩展，需要通过蒸镀技术在P区表面形成一层Ni-Au组成的金属电极层。P区引线通过该层金属薄膜引出。为获得好的电流扩展，Ni-Au金属电极层就不能太薄。为此，器件的发光效率就会受到很大影响，通常要同时兼顾电流扩展与出光效率二个因素。但无论在什么情况下，金属薄膜的存在，总会使透光性能变差。此外，引线焊点的存在也使器件的出光效率受到影响。采用GaN LED倒装芯片的结构可以从根本上消除上面的问题。

芯片键合技术

光电子器件对所需要的材料在性能上有一定的要求，通常都需要有大的带宽差和在材料的折射指数上要有很大的变化。不幸的是，一般没有天然的这种材料。用同质外延生长技术一般都不能形成所需要的带宽差和折射指数差，而用通常的异质外延技术，如在硅片上外延GaAs和InP等，不仅成本较高，而且结合接口的位错密度也非常高，很难形成高质量的光电子集成器件。由于低温键合技术可以大大减少不同材料之间的热失配问题，减少应力和位错，因此能形成高质量的器件。随着对键合机理的逐渐认识和键合制程技术的逐渐成熟，多种不同材料的芯片之间已经能够实现互相键合，从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层再进行键合就可以形成一种新的结构。由于硅化物的电导率很高，因此可以代替双极型器件中的隐埋层，从而减小RC常数。

激光剥离技术(LLO)

激光剥离技术(LLO)是利用激光能量分解GaN/蓝宝石接口处的GaN缓冲层，从而实现LED外延片从蓝宝石衬底分离。技术优点是外延片转移到高热导率的热沉上，能够改善大尺寸芯片中电流扩展。n面为出光面：发光面积增大，电极挡光小，便于制备微结构，并且减少刻蚀、磨片、划片。更重要的是蓝宝石衬底可以重复运用。虽然LED在生活中处处可见，但是LED也还有一些不足需要我们的设计人员拥有更加专业的知识储备，这样才能设计出更加符合生活所需的产品。