几种最新增加几种最新增加 LED 亮度的最新技术亮度的最新技术 LED 技术类文章 2008-07-09 16:13:14 阅读 1865 评论 2 字号：大中小 订阅 以目前的技术可以使 InGaN 有源层在常温，普通注入电流条件下的内量子效率达到 9095%。当温度升高，内量子效率会比较大的下降。因此要提高发光效率必须控制结温和 提高出光效率。 1 提高 LED 芯片出射效率的技术 11 衬底激光剥离技术（Lift-off） 因为 LED 的 GaAs 基衬底的折射率非常大，所以它所造成的内部光吸收损失很大。这 种方法将 LED 的 GaAs 衬底剥离，换成透明衬底，然后粘结在透明的 GaP 衬底上，使光从 下底面出射。所以又被称为透明衬底 LED（TS-LED）法。4理论上讲，这种方法可以提高 光的出射率一倍。 对于以蓝宝石衬底为主的 GaAs 系 LED 而言，其剥离技术（LLO）是基于 GaN 的同质 外延发展的一项技术。GaN 基半导体材料和器件发展的一个重大问题是由于没有合适的衬 底而造成的外延层质量问题， 解决这个问题的一种可能途径是利用对衬底透明的短脉冲激光 照射衬底，融化缓冲层而将 GaN 外延层从宝石衬底上剥离下来，再用 HVPE 生长技术制成 GaN 衬底， 用以实现同质外延。 美国的惠普公司在上世纪末最先在 AlGaInP/GaAs LED 上实 现；2002 年，日亚正式把它用于 UVLED 的工艺上，使其发光效率得到很大的提高；2003 年 2 月，德国 OSRAM 公司用 LLO 工艺将蓝宝石去除，将 LED 的出光效率提升至 75%。 图 1:制作透明衬底用 GaP 代替 GaAs 12 利用光子晶体技术（Photonic Crystal） 光子晶体实际上就是一种将不同介电常数的介质在空间中按一定周期排列而形成的人 造晶体,该排列周期为光波长量级。光子晶体中介质折射率的周期变化对光子的影响与半导 体材料中周期性势场对电子的影响相类似。在半导体材料中,由于周期势场的作用电子会形 成能带结构,带与带之间有带隙(如价带与导带) ,电子的能量如果落在带隙中,就无法继续传 播. 在光子晶体中,由于介电常数在空间的周期性变化,也存在类似于半导体晶体那样的周期 性势场. 当介电常数的变化幅度较大且变化周期与光的波长可相比拟时,介质的布拉格散射 也会产生带隙,即光子带隙. 频率落在禁带中的光是被严格禁止传播的. 光子晶体也叫电磁 晶体(elect romagneticcrystals) 或光子带隙( PBGphotonic band gap ) 材料。 如果光子晶体只 在一个方向上具有周期结构,光子禁带只可能出现在这个方向上. 如果存在三维的周期结构 就有可能出现全方位的光子禁带,落在禁带中的光在任何方向都被禁止传播. 据此光子晶体 可分为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体。 在发光二极管的发光中心放一块光子晶体,使发光中心的自发辐射和光子带隙的频率重 合,并在光子晶体中引入一缺陷态,自发辐射将不能沿其它方向传播,只能沿特定的通道传播, 这将大大减少能量损失， 且能通过控制缺陷态而成为单模发光二极管。 如果人为地破坏光子 晶体的周期性结构时,在光子晶体中加入杂质,光子禁带中会出现品质因子非常高的杂质态, 具有很大的态密度,这样便可以实现自发辐射的增强,利用光子晶体可以控制原子的自发辐射 的特性,可以制作宽频带、低损耗的光反射镜,可以制作高效率的发光二极管。实验已证明, 发光效率可以达 90 %以上。 早期的光子晶体的制备采用反应离子束刻蚀技术在一块介电材料的表面以偏离法线 35. 26的角度从 3 个方向钻孔、各方向的夹角为 120。这是一种由许多面心立方体构成的空间 周期性结构,也称为钻石结构。 目前以 zbay 等发展的逐层叠加结构方法为主，其用许多片 二维周期性结构叠加在一起而构成三维光子晶体。 其他的方法还有乳液沉积干燥法， 但那是 对溶液进行的，并不适用于半导体。 2003 年，松下电器产业根据光子晶体原理开发成功了效率 30%的 GaN 蓝色发光二极管 芯片，并声称通过改进芯片，预计将能够照射出 60%左右的光（如下图所示） 。该产品通过 在蓝色 LED 芯片表面大量设置基于 P 型 GaN 的直径 1.5m、高约 0.5m的圆柱状凸部（折 射率 2.5） ，形成凸部和凹部的空气层（折射率）沿水平方向排列的光子晶体。照射到光子 晶体中的光线因其周期性折射率分布而使光线发生衍射。 使原先全反射的光违反折射定律而 出射。然而，该法由于凸部是利用光刻技术和蚀刻技术形成的，所以成本十分高昂，离最终 的产业化距离尚远。 图 2：具备圆柱状凸起光子晶体的白光 LED 1.3 表面粗化技术（surface-textured LED） 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，可以采用把 p-GaN 表面粗化的方法。 将介面按一定的规律打毛可以使部分全反射光线以散射光的形式出 射，从而提高了出光率。如下图 3 所示，在 LED 的上表面直接将其打毛，但该法对有源层 及透明电极会造成一定的损伤，制作也较为困难，故而很多时候都采用直接刻蚀成型。加洲 大学的 I.Schnitzer 和 E.Yablonovitch 提出用自然光刻法。就是先用旋转镀膜的方法将直径 300 nm 的聚苯乙烯球镀在 LED 的表面，这些小球遮挡一部分表面，然后用等离子腐蚀的 方法将未遮蔽的表面腐蚀到深度为 170 nm 左右，形成了粗糙的 LED 表面。德国物理技术 研究所的 R.Windisch 等人用 430 nm 的聚苯乙烯球进行了进一步的实验，效果也很好。 图 3：表面粗化后的 LED 结构 14 分布布喇格反射层（DBR）结构 LED 的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”发光，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， 但该法成本较高， 且工艺复杂。 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， 它在有源层 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。 分布布喇格反射层法 可以直接利用 MOCVD 设备进行生长，无须再次加工处理，有很好的成本优势，因而目前 已经应用于商业生产。 图 6:生长在衬底和外延片之间的 DBR 结构 1.5 芯片外观结构处理 一般的 LED 都是立方体的结构，这样的结构使得光在 LED 内部传输的光程很长，造 成有源层及自由载流子对光的吸收加剧。 等人利用特殊的切片刀具,将 InGaAlP 红光 LED 台面制成平头倒金字塔形状的结构,键合到透明基片上,实现了 50%以上的外量子 效率。如下图所示，LED 晶片被切去四个方向的下角，斜面与垂直方向的夹角为 35o，成 倒金字塔形。 LED 的这种几何外形可以使内部反射的光从侧壁的内表面再次传播到上表面， 而以小于临界角的角度出射。 同时使那些传播到上表面大于临界角的光重新从侧面出射。 这 两种过程能同时减小光在内部传播的路程。 图 7:倒金字塔形 LED 另外的一种方法是将正方形的 LED 芯片变为圆形。据北大的隋文辉11等人的最近的 研究表明,利用环状电极制成的圆形 LED,其发光效率可以比传统的方形 LED 更高。其在圆 盘型光学微腔研究中证实,圆形的 LED 中存在回音壁模式和圆盘的径向模式,他提出了将倒 金字塔形结构改为倒原圆锥体并加上微细结构的设计。实验证明，这确实大大加强了 LED 出射的光强。如下图所示，为不带微结构的圆台型 LED;为圆台内侧边缘加一个同 心环状沟槽的;和是带有同样数目但不同宽度同心环沟槽微结构的, 和分别对应窄的和宽的环状沟槽。10他发现， 在相同注入电流下,与没有微结构的普 通圆台形()相比,具有环形沟槽微结构的的发光光谱强度有不同程度的提 高,其中带有一个环形沟槽的()的光谱积分强度增强至 2. 5 倍,而带有多个环形沟 槽的即和分别增强至 17 .2 和 21.6 倍。 图 8:各种 LED 的光强比较 2 利用新型封装方式增加 LED 亮度 常见的 LED 封装有炮弹形和倒装式两种，如下图 9 所示，左边为新式的倒装形，右边 为老式的炮弹式。 在倒装式封装内， 将镜子的凹面朝向封装表面一侧， 在上面配置蓝色 LED 芯片。芯片的表面一侧（发出蓝色光的一侧）朝向镜子凹面。通过采用这种结构，由蓝色 LED 芯片发出的蓝色光就会受到镜面的反射，并照射到封装表面。封装表面由于是利用混 有萤光材料的环氧树脂进行封装的， 因此部分蓝色光在照射到封装表面的过程中就会变成黄 色光。而炮弹式则是把 LED 芯片设置到镜子凹面的底部部分，LED 芯片的表面面向封装表 面。据称，该产品在 20mA 时亮度高达 7cd，与其他公司的普通产品相比，亮度高出 1 倍左 右。 图 10:新型倒装式和老式炮弹形 LED 图 11:产品实例