LED芯片的技术发展状况

LED之家于2009-01-06 20:58:57 http://www.ledjia.com/ledhangye/viewarticle.php?id=127

文章摘要：对于标准管芯（200-350μm2），日本日亚公司报道的最高研究水平，紫光（400 nm）22 mW，其外量子效率为35.5%，蓝光(460 nm) 18.8 mW，其外量子效率为34.9%。美国Cree公司可以提供功率大于15 mW 的蓝色发光芯片(455～...

对于标准管芯（200-350μm2），日本日亚公司报道的最高研究水平，紫光（400 nm）22 mW，其外量子效率为35.5%，蓝光(460 nm) 18.8 mW，其外量子效率为34.9%。美国Cree公司可以提供功率大于15 mW 的蓝色发光芯片(455～475 nm)和最大功率为21 mW的紫光发光芯片（395～410 nm），8 mW 绿光（505～525 nm）发光芯片。台湾现在可以向市场提供6 mW左右的蓝光和4 mW左右的紫光芯片，其实验室水平可以达到蓝光10 mW和紫光7～8 mW的水平。国内的公司可以向市场提供3～4mW的蓝光芯片，研究单位的水平为蓝光6 mW左右，绿光1～2 mW，紫光1～2 mW。

　　随着外延生长技术和多量子阱结构的发展，超高亮度发光二极管的内量子效率己有了非常大的改善，如波长625 nm AlGaInP基超高亮度发光二极管的内量子效率可达到100%，已接近极限。

　　AlGaInN基材料内存在的晶格和热失配所致的缺陷、应力和电场等使得AlGaInN基超高亮度发光二极管的内量子效率比较低，但也在35～50%之间，半导体材料本身的光电转换效率己远高过其它发光光源，因此提高芯片的外量子效率是提高发光效率的关键。这在很大程度上要求设计新的芯片结构来改善芯片出光效率，进而达到提升发光效率(或外量子效率)的目的，大功率芯片技术也就专注于如何提升出光效率来提升芯片的发光效率，主要技术途径和发展状况阐述如下：

1）改变芯片外形的技术

　　当发射点处于球的中心处时，球形芯片可以获得最佳的出光效率。改变芯片几何形状来提升出光效率的想法早在60年代就用于二极管芯片，但由于成本原因一直无法实用。在实际应用中，往往是制作特殊形状的芯片来提高侧向出光的利用效率，也可以在发光区底部(正面出光)或者外延层材料(背面出光)进行特殊的几何规格设计，并在适当的区域涂覆高防反射层薄膜，来提高芯片的侧向出光利用率。

　　1999年HP公司开发了倒金字塔形AlInGaP芯片并达到商用的目标，TIP结构减少了光在晶体内传输距离、减少了内反射和吸收（有源区吸收和自由截流子吸收等）引起的光损耗、芯片特性大幅度改善，发光效率达100流明/瓦（100 mA，610 nm），外量子效率更达到55%（650 nm），而面朝下的倒装结构使P-N结更接近热沉，改善了散热特性，提高了芯片寿命。

2）键合技术

　　AlGaInP和AlGaInN基二极管外延片所用的衬底分别为GaAs和蓝宝石，它们的导热性能都较差。为了更有效的散热和降低结温，可通过减薄衬底或去掉原来用于生长外延层的衬底，然后将外延层键合转移倒导电和导热性能良好热导率大的衬底上，如铜、铝、金锡合金、氮化铝等。键合可用合金焊料如AuSn、PbSn、In等来完成。Si的热导率比GaAs和蓝宝石都好，而且易于加工，价格便宜，是功率型芯片的首选材料。

　　2001年，Cree推出的新一代XBTM系列背面出光的功率型芯片，其尺寸为0.9mm x 0.9mm，顶部引线键合垫处于中央位置，采用"米"字形电极使注入电流能够较为均匀的扩展，底部采用AuSn合金将芯片倒装焊接在管壳底盘上，具有较低的热阻，工作电流400 mA时，波长405和470 nm的输出光功率分别为250 mW和150 mW。

3）倒装芯片技术

　　AlGaInN基二极管外延片一般是生长在绝缘的蓝宝石衬底上，欧姆接触的P电极和N电极只能制备在外延表面的同一侧，正面射出的光部分将被接触电极所吸收和键合引线遮挡。造成光吸收更主要的因素是P型GaN层电导率较低，为满足电流扩展的要求，覆盖于外延层表面大部分的半透明NiAu欧姆接触层的厚度应大于5-10 nm，但是要使光吸收最小，则NiAu欧姆接触层的厚度必须非常薄，这样在透光率和扩展电阻率二者之间则要给以适当的折衷，折衷设计的结果必定使其功率转换的提高受到了限制。

　　倒装芯片技术可增大输出功率、降低热阻，使发光的pn结靠近热沉，提高器件可靠性。2001年Lumileds报道了倒装焊技术在大功率AlInGaN基芯片上的应用，避免了电极焊点和引线对出光效率的影响，改善了电流扩散性和散热性，背反射膜的制备将传向下方的光反射回出光的蓝宝石一方，进一步提升出光效率，外量子效率达21%，功率换效率达20%（200 mA，435 nm），最大功率达到400 mW（驱动电流1A，435 nm，芯片尺寸1mm x 1mm），其总体发光效率比正装增加1.6倍。倒装结构示意图见图2-8。

图2-8 倒装芯片结构示意图

4）全方位反射膜

　　除在键合界面制备金属基反射层外，也可以通过外延技术生长具DBR层的AlInGaP和AlInGaN基芯片，但由于DBR反射率随着入射角的增加迅速减少，以全方位平均仍有较高的光损耗，反射膜效率不高。

　　金属基全方位反射膜可应用于正装芯片也可应用于倒装芯片。金属基全方位反射膜可有效提升出光效率，但必须解决如何制备低阻欧姆接触，高的全方位反射率，和在后续工艺过程中反射膜不会被损害而失去低阻高反射的特性等。

5）金属键合剥离技术

　　美国惠普公司结合键合技术最早采用大衬底剥离技术将GaAs衬底与外延层剥离，然后将外延层粘接在透明的GaP衬底上制备AlInGaP基芯片，此项技术可以提高近2倍的发光效率。

　　1996年报道了用激光技术将2英寸HVPE GaN与蓝宝石剥离，用Si(或金属)衬底取代蓝宝石衬底的AIGaInN功率型芯片主要由三个关键工艺步骤完成：①在外延表面淀积键合金属层如Pd 100 nm，以及在键合底板上如Si底板表面淀积一层1000 nm的铟；②将外延片低温键合到底板上；③用KrF脉冲准分子激光器照射蓝宝石底面，使蓝宝石和GaN界面的GaN产生热分解，再通过加热(40度)使蓝宝石脱离GaN。

　　2003年2月，德国OSRAM公司用激光技术将蓝宝石去除，使芯片的出光效率提至75%，是传统芯片的3倍。采用将芯片键合到Cu片上再激光剥离蓝宝石衬底，可使散热能力提高4倍，发光功率也提升4倍。

6）表面粗糙化

　　表面粗糙化主要是将那些满足全反射定律的光改变方向，继而在另一表面或反射回原表面时不被全反射而透过界面，并能起防反射的功能。表面粗糙通过散射光的方向减少内反射，但同时又不能损伤材料的电光特性。透射率的增加被认为是表面粗糙化的主要功能，优化的表面粗糙（430nm球状起伏表面）可使出光效率可以达到54%。

　　德国Osram公司于2001年研制出新一代的AlInGaP基芯片，采用最新设计将芯片窗口层表面腐蚀成能够提高出光效率的纹理结构，见图2-10。芯片表面纹理的基本单元为具有斜面的三角形结构，光子的反射路线被封闭在这样的结构之中，使有源层发出的光子能够更有效地被取出。欧姆接触电极的几何图形位于出光结构注入电流的部位，这样可使注入电流更有效的扩展到有源区。外延片的布拉格反射层被设计成具有较宽的反射角度，这样可使芯片背反射的大部分被覆盖。采用这种纹理表面结构的AlInGaP基芯片可以获得大于50%的外量子效率，芯片封装后的功率转换效率超过30流明/瓦，是常规AlInGaP基芯片(GaAs衬底)的2倍，与采用晶片键合技术的AlInGaP基芯片(GaP透明衬底)性能相当但工艺简单成本低。纹理表面结构对光束角特性没有影响，不仅可取代常规的方形芯片，而且还可以很容易按比例放大应用于功率型的大尺寸芯片，而晶片键合透明衬底的AlInGaP基芯片(GaP透明衬底)由于技术复杂只能应用于3英寸的GaAs衬底。在降低生产成本和实现产业化规模生产方面，纹理表面高效取光结构的AlInGaP基芯片(GaP透明衬底)具有广阔的发展前景。

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图2-10 芯片表面纹理结构示意图

　　AlInGN基芯片也可通过把p-GaN表面粗化，提升出光效率，但直接粗化容易对有源层造成损伤，同时透明电极更难制备。目前通过改变外延片生长条件得到表面粗化是一个较为可行的工艺。1999年Fuji报道将AlInGaN基芯片键合到硅基板上，再用激光剥离法去除衬底，在n型GaN表面通过光致电化学法腐蚀形成有序的锥型形状可以增加发光强度2.3倍。除表面粗糙外,芯片的侧面粗糙也能进一步提升出光效率，表面粗糙的外量子效率22%，侧面粗糙后可达31%。通过在ITO/NiOx上制备有规则纹理结构(3mm x 3mm)可以使芯片发光功率从6.1 mW提升到7.1 mW。P型GaN表面的微观粗糙(金属纳米束沉积辅助以湿法腐蚀)可增加出光效率62%。采用表面粗糙化加背面反射膜结构，外量子效率可达40%。

7）微芯片阵列

　　微芯片阵列可以增加发光效率，其原理尚不清楚。有人认为是应力释放导致介电电场的减弱，提升了芯片的内量子效率，也有人认为是微芯片阵列提高了外量子效率。外量子效率的提升得益于微芯片阵列中芯片周边面积的增加，一般微芯片直径约10μm，芯片厚度约1μm，芯片表面积与周边面积之比可达1:1.4，显然芯片周边面积提供了更多的出光表面积。微芯片阵列可以增加出光效率，倒装后从蓝宝石的出光效率可进一步通过在蓝宝石上制备微透镜提高每一颗微芯片的出光效率，采用ICP法在蓝宝石上制备与微芯片相对集成在一个器件上的微凹透镜，与平坦蓝宝石表面相比，微透镜可增加出光强度约30%。

8）光子晶体

　　浅二维表面栅格光子晶体可避免对有源区的损伤和在光子晶体制备过程导入太多表面损伤，引发内量子效率的下降，同时又能发挥光子晶体的衍射，改变光的入射角而提升出光效率1.7-2.7倍，制作过程涉及电子束光刻和刻蚀工艺制备晶格常数级大小的栅格几何结构。