發(fā)光二級管于1960年被研制出并投入商業(yè)生產(chǎn)，是一種利用固體直接發(fā)光的綠色光源，具有體積小、重量輕、壽命長、可靠性高、高響應(yīng)速度、抗震性好、光效高、節(jié)能、防爆等優(yōu)越性。是二十世紀(jì)微電子技術(shù)、光電子技術(shù)和新材料技術(shù)的產(chǎn)物，引領(lǐng)了二十一世紀(jì)光源和照明革命。

　　【摘要】隨著照明設(shè)計(jì)理論的不斷發(fā)展發(fā)光二極管（LED）外量子效率的提升成為了提升其照明水平的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。本文從幾個(gè)方面出發(fā)，對LED芯片制作過程中的幾種外量子效率提升技術(shù)進(jìn)行了分析探討。

　　【關(guān)鍵詞】職稱論文發(fā)表,LED,外量子,效率提升

　　隨著LED整體水平的不斷發(fā)展，在人們的日常生活中發(fā)光二極管得到了更加廣泛的應(yīng)用。隨著紅黃綠藍(lán)LED在圖像顯示、信號指示、普通照明、基礎(chǔ)研究等方面的應(yīng)用，及紫光、紫外LED在驗(yàn)鈔、光固化、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等方面的應(yīng)用，人們對LED亮度和光效不斷提升的要求越來越迫切，因此LED外量子效率的提升也得到了越來越多專業(yè)人士和企業(yè)的重視與關(guān)注。以下通過對DBR結(jié)構(gòu)、倒裝芯片技術(shù)、垂直結(jié)構(gòu)芯片技術(shù)進(jìn)行分析，僅對LED芯片外量子效率提升進(jìn)行了研究。

　　1DBR結(jié)構(gòu)

　　DBR（distributedBraggreflector）結(jié)構(gòu)是在20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的LED外量子效率提升結(jié)構(gòu)。通常來說DBR結(jié)構(gòu)是由兩種折射率完全不同的材料進(jìn)行周期交替從而生長成的層狀結(jié)構(gòu)。DBR結(jié)構(gòu)一般處于正裝結(jié)構(gòu)的LED的源層和襯底之間并且能夠有效將射向襯底的光在表面或者側(cè)面進(jìn)行反射，從而在很大程度上減少了襯底對光的吸收并同時(shí)合理提高出光效率。除此之外，DBR結(jié)構(gòu)在LED中的應(yīng)用可以促進(jìn)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積發(fā)法的直接利用，即這種方法的有效利用可以減少LED的加工處理次數(shù)。由于DBR結(jié)構(gòu)通常由交替的多層高折射率和低折射率材料相互組成并且每層的光學(xué)厚度均為發(fā)射波長的1/4。因此當(dāng)DBR結(jié)構(gòu)為2p+1層時(shí)其反射率和結(jié)構(gòu)為2p層的反射率是完全不同的。除此之外，復(fù)合型DBR結(jié)構(gòu)在LED中的應(yīng)用可以促進(jìn)其出光效率較常規(guī)DBR可以提高約35%左右并且配合其他優(yōu)化結(jié)構(gòu)可以使復(fù)合DBR結(jié)構(gòu)對LED光提取效率的改善效果會更為明顯，從而具有很好的成本優(yōu)勢，因此現(xiàn)今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn)中。

　　2倒裝芯片技術(shù)

　　倒裝芯片技術(shù)是提升LED外量子效率的重要技術(shù)。通常來說在LED的運(yùn)行過程中由于P型GaN的電導(dǎo)率往往較低，因此為了更好地滿足電流擴(kuò)展的要求，通常會需要在P區(qū)表面形成一層金屬電極層。并且為了獲得好的電流擴(kuò)展P區(qū)表面形成的金屬電極層不能太薄，但如果太厚則會對LED的發(fā)光效率造成較大影響，因此在這一過程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是兼顧電流擴(kuò)展與出光效率兩個(gè)因素。因此倒裝芯片技術(shù)的采用可以有效的對這一環(huán)節(jié)進(jìn)行處理并對存在的問題進(jìn)行合理解決。倒裝技術(shù)之所以被稱為“倒裝”是相對于傳統(tǒng)的金屬線鍵合連接方式而言的。傳統(tǒng)的通過金屬線鍵合與基板連接的晶片電氣面朝上，而倒裝晶片的電氣面朝下，相當(dāng)于將前者翻轉(zhuǎn)過來，故稱其為倒裝結(jié)構(gòu)。倒裝結(jié)構(gòu)從藍(lán)寶石襯底出光，藍(lán)寶石/（硅膠+熒光粉）出空氣的全反射臨界角為51.1～70.8°，全反射角為23.6°，GaN/（硅膠+熒光粉）的全反射臨界角為36.7～45.1°，全反射角為36°，因此進(jìn)入空氣發(fā)生全反射的概率大幅度降低，有利于提升出光效率；還避開P電極吸收光和電極墊遮光，及電極焊點(diǎn)和引線對出光效率的影響，并且改善了電流擴(kuò)散性從而能夠更進(jìn)一步的提升出光效率；倒裝結(jié)構(gòu)的P極金屬反射層的導(dǎo)電率明顯高于正裝結(jié)構(gòu)的ITO透明電極，驅(qū)動電壓有了較大幅度的降低，倒裝結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)約120W/mK，傳統(tǒng)正裝芯片藍(lán)寶石導(dǎo)熱系數(shù)約20W/mK。倒裝結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)明顯優(yōu)于正裝結(jié)構(gòu)芯片，因此可以有效增大輸出功率降低熱阻同時(shí)合理提高LED的可靠性。通常來說倒裝芯片技術(shù)的應(yīng)用可以使LED的外量子效率提升21%左右，并且功率轉(zhuǎn)換效率提升大約20%。

　　3垂直結(jié)構(gòu)芯片技術(shù)

　　目前LED大多在藍(lán)寶石襯底上外延獲得，藍(lán)寶石盡管有較高的透光率，但熱傳導(dǎo)性能很差，受藍(lán)寶石襯底電絕緣特性的影響，傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)GaN基LED通常采用臺面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電流的側(cè)向注入。這就造成LED芯片內(nèi)部電流分布一致性較差，局部區(qū)域電流過大，影響器件電學(xué)、光學(xué)特性及長期可靠性。而垂直結(jié)構(gòu)可以有效解決正裝結(jié)構(gòu)LED存在的問題，它通過晶片鍵合以及藍(lán)寶石襯底激光剝離，將GaN外層轉(zhuǎn)移至Cu、Si等具有良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱特性的襯底材料上，在很大程度上提高了散熱效率。垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片的兩個(gè)電極分別在LED外延層的兩側(cè)，通過圖形化的n電極，使得電流幾乎全部垂直流過LED外延層，橫向流動的電流極少，可以避免正裝結(jié)構(gòu)的電流擁擠問題，提高發(fā)光效率，同時(shí)也解決了P極的遮光問題，提升LED的發(fā)光面積，使器件效率進(jìn)一步提高。

　　襯底激光剝離是垂直結(jié)構(gòu)芯片技術(shù)中的關(guān)鍵核心技術(shù)之一，激光剝離是利用GaN材料對一定波長紫外光線的帶邊吸收，利用GaN材料高溫分解特性及GaN與藍(lán)寶石間的帶隙差，采用光子能量大于GaN帶隙而小于藍(lán)寶石帶隙的紫外脈沖激光，透過藍(lán)寶石襯底輻照GaN材料，在其界面處產(chǎn)生強(qiáng)烈吸收，使局部溫度升高，GaN氣化分解為金屬鎵和氮?dú)�，�?shí)現(xiàn)藍(lán)寶石襯底剝離。要做到成功的剝離，做到剝離表面完整且平整，GaN不脫落，使后續(xù)工藝正常進(jìn)行，需研究合適的激光源波長和能流密度、激光先掃描步進(jìn)、光斑定位等方面的工藝條件。選擇合適的能量密度，使高溫區(qū)集中于界面附近是實(shí)現(xiàn)高效、低損傷激光剝離的重要因素；另外，激光束的準(zhǔn)直以及激光光斑的均勻性是實(shí)現(xiàn)成功剝離的保證。

　　通常在相同電流驅(qū)動下，垂直結(jié)構(gòu)與正裝結(jié)構(gòu)相比，會使出光效率提高一倍以上，使LED的散熱能力提高4倍左右。另外，垂直結(jié)構(gòu)LED能夠保證在一定的發(fā)光效率的前提下，采用較大的電流去驅(qū)動，這樣一個(gè)垂直結(jié)構(gòu)LED芯片可以相當(dāng)于幾個(gè)正裝結(jié)構(gòu)芯片，折合成本只有正裝結(jié)構(gòu)的幾分之一。GaN基LED的器件結(jié)構(gòu)，主要經(jīng)歷了正裝結(jié)構(gòu)、倒裝結(jié)構(gòu)，以及目前廣為國際上重視的垂直結(jié)構(gòu)三個(gè)主要階段。本質(zhì)上講，前兩種器件結(jié)構(gòu)――倒裝結(jié)構(gòu)、正裝結(jié)構(gòu)均沒有擺脫藍(lán)寶石襯底對器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的束縛。2004年開始，垂直結(jié)構(gòu)得到了人們的廣泛關(guān)注，垂直結(jié)構(gòu)通過熱壓鍵合、激光剝離（LLO）等工藝，將GaN外延結(jié)構(gòu)從藍(lán)寶石轉(zhuǎn)移到Cu、Si等具有良好電、熱傳導(dǎo)特性的襯底材料上，器件電極上下垂直分布，從而徹底解決了正裝、倒裝結(jié)構(gòu)GaN基LED器件中因?yàn)殡姌O平面分布、電流側(cè)向注入導(dǎo)致的諸如散熱、電流分布不均勻、可靠性等一系列問題。因此，垂直結(jié)構(gòu)也被稱為是繼正裝、倒裝之后的第三代GaN基LED器件結(jié)構(gòu)，很有可能取代現(xiàn)有的器件結(jié)構(gòu)而成為GaN基LED技術(shù)主流。

　　4結(jié)語

　　隨著LED應(yīng)用水平的不斷提升LED外量子效率提升問題成為了LED相關(guān)領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。LED研究人員在外量子效率提升問題的研究過程中應(yīng)當(dāng)注重DBR結(jié)構(gòu)、倒裝芯片技術(shù)垂直結(jié)構(gòu)芯片技術(shù)等技術(shù)的合理應(yīng)用，從而促進(jìn)LED外量子效率的不斷提升。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]翁壽松.高亮度發(fā)光二極管及制造設(shè)備[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2009（1）.

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