改善紅光LED提取效率的創(chuàng )新技術(shù)(圖)
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目前許多以 AlGaInP 為基材的 LED 大部分被用來(lái)提供作為交通信號和汽車(chē)剎車(chē)燈的紅色光源。然而，此類(lèi)型的器件如果每單位流明成本更低廉的話(huà)，將可以更成功的應用于商品化的產(chǎn)品。例如投影機、液晶電視的背光源以及色溫調變裝置等。
降低每單位流明成本的方法可以使用新技術(shù)提高 LDE 的效率，例如改善成長(cháng)的條件或器件制程的方式，將此器件的內部量子效率提高至理論極限，如此便能提高 LED 器件的發(fā)光提取效率。
目前已經(jīng)有許多的技術(shù)朝向此目標進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究，但是沒(méi)有一個(gè)是合適的。加入分布式布拉格反射器 (distributed Bragg reflector, DBR) 于 LED 中用來(lái)降低光源在 GaAs 基板上的吸收，但是反射光源在傾斜入射角度的效率相對低，這是因為明顯的光學(xué)損失所造成的。改善的方式可以取代該基板替換成可穿透的基材，例如藍寶石或 GaP，但是依舊還是有缺點(diǎn)，這是因為這些方式并無(wú)法釋放出有效的熱傳功率系數，仍須使用最大的驅動(dòng)電流和流明輸出值。不過(guò)，表面的型態(tài)依舊能增加光的輸出，但是若利用傳統的化學(xué)刻蝕技術(shù)則不容易控制邊界和刻蝕范圍。
熱傳導問(wèn)題最近使用一種新的方式，通過(guò)取向附生層的轉換來(lái)通電與熱傳導基板。然而，即便使用此種先進(jìn)的方式，光學(xué)效率在許多商品化的 620 nm 波長(cháng)的 LED 僅僅只有 50 lm/W。這意味著(zhù)高亮度的 LED 的產(chǎn)生來(lái)自于多種不同的技術(shù)結合而成，如此便無(wú)法滿(mǎn)足客戶(hù)對效率的期望。
無(wú)論如何，在臺灣的晶元光電股份有限公司，我們擁有尚未公開(kāi)發(fā)表的新系列 AlGaInP LED，該產(chǎn)品能產(chǎn)生遠大于目前技術(shù)的效率。針對這些產(chǎn)品，我們將其命名為P和A系列（雖然他們最初是分別被命名為鳳凰和寶瓶 LED）。主要的特色在于光的激發(fā)效率最少為 50％ ，這一切都要歸功于額外的多層膜結構的波形表面型態(tài)以及不同等級的反射系數。更重要的是，我們使用原有的設備便可從事制造，并且量能滿(mǎn)載。
我們稱(chēng)此專(zhuān)利的的多層膜結構為“朗伯穿透和反射膜層”，因為他們是依循 Johann Heinrich Lambert 的余弦散射定律。這些結構的反射或發(fā)散在垂直于表面的方向擁有極大的強度，在最傾斜的角度則強度最弱（請見(jiàn)圖一的定義）
圖一：(a) Lambertian穿透面在垂直于該表面時(shí)會(huì )擁有最大的穿透率（透光強度與 cos[θ] 成正比，θ表示從基板平面到垂直位置間的角度），本圖箭頭的長(cháng)度表示光源的強度。(b) Lambertian反射面產(chǎn)生相同強度的分布，晶元光電已經(jīng)確認過(guò)Lambertian本身的傳輸特性 (c) 和反射器。(d) 入射光束的角度θ為0#176;、30#176;和 60#176;，而觀(guān)測的角度從5#176;到80#176;之間。
我們的 P-系列和 A-系列的 LED 特色，為 Lambertian 的發(fā)射和反射分別在器件的上方和下層。發(fā)射器釋放出來(lái)的光絕大部分都往正前方前進(jìn)，僅僅有非常少部分的的光線(xiàn)會(huì )返回到器件里面，這些有可能被量子所吸收。同時(shí)，反射器會(huì )經(jīng)由特定角度，將絕大部分的光源導向基板返回器件，以避免芯片內部的多重反射發(fā)生。
我們制作我們的 P-系列芯片是通過(guò) GaP 表面的 Lambertian 反射器所創(chuàng )造出來(lái)的，此乃 AlGaInP 在 GaAs 取向附生層的最上層（圖二a）。在 GaAs 被移除之前，此晶圓先與硅結合。接著(zhù)我們刻蝕掉 n-type 電鍍層而形成 Lambertian 反射器，并明確界定黃金 p-type 與硅基板的背面互相接觸。晶圓的問(wèn)題如下，在器件被結合之前，晶圓會(huì )先切成獨立的芯片。
A-系列的 LED 擁有些許不同的設計（圖二b），為了將晶圓與藍寶石相結合，使用穿透率高的黏著(zhù)薄膜用來(lái)作為結合劑，除此之外，制造程序與 P-系列類(lèi)似。
圖二：（上）P-系列 (a) 和 A-系列 (b) 的 LED 特色為
擁有 Lambertian 的穿透和反射面。
擁有 Lambertian 的穿透和反射面。
我們的 A-系列芯片會(huì )在 615~620nm 被激發(fā)，且僅需 2V 的正向電壓（請情請參照表一）。在 20 mA 的電流下，620 nm 會(huì )釋放出 107 lm/W，而 615 nm 在相同的電流條件下，同樣能產(chǎn)生出 130 lm/W（請參見(jiàn)圖三，其它器件的電流作比較）。這個(gè)產(chǎn)品的最大正向電流等級為 40 mA，本器件的確有足夠的能力作為背光源、建筑光源、娛樂(lè )和裝飾用的光源。
圖三，其它器件的電流作比較
P-系列芯片與他們的A-系列尺寸相同，但卻是操作于高電流范圍，這一切都要感謝硅基板優(yōu)異的熱傳導系數，當電流為 250 mA 時(shí)，他們可以產(chǎn)生 25 lm（圖四），但我們建議驅動(dòng)電流應維持在 70 mA，這種 LED 同樣能適用于我們的A-系列芯片，但是我們仍然將它定位于交通號志、廣告招牌和路標等應用。
圖四
我們的這兩種產(chǎn)品都擁有非常高的可靠性，經(jīng)過(guò) 1000 小時(shí)的長(cháng)時(shí)間測試，P-系列的芯片在 80 mA 的輸出電流，85 amp;ordm；C 和 85％ 的濕度環(huán)境下，都能維持穩定的光源輸出；而 A–系列芯片在相同環(huán)境條件下，提供 40mA的電流，也都能維持穩定的光源輸出。
我們相信我們的紅光 LED 在 20 mA下，能夠創(chuàng )造出前所未有的發(fā)光效率，我們的顧客也說(shuō)，它能提升30–50％ 以上，超越市場(chǎng)上所有的其它產(chǎn)品。今年我們將會(huì )在我們自己的生產(chǎn)在線(xiàn)生產(chǎn)制造這些器件，同時(shí)我們也很有信心該產(chǎn)品將會(huì )大大提升紅光LED的發(fā)展。
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