LED芯片技術(shù)的發(fā)展

　　自從1993年Nakamura發(fā)明高亮GaN藍光LED以來(lái)，LED技術(shù)及應用突飛猛進(jìn)。究其原因有兩個(gè)方面：1）全系列RGBLED產(chǎn)生，其應用面大大拓寬，2）白光LED產(chǎn)生，讓追求低碳時(shí)代的人們期望LED盡快成為智能化的第四代固態(tài)照明光源。雖然LED的發(fā)光效率已經(jīng)超過(guò)日光燈和白熾燈，但商業(yè)化LED發(fā)光效率還是低于鈉燈(150lm/W)。那么，哪些因素影響LED的發(fā)光效率呢？就白光LED來(lái)說(shuō)，其封裝成品發(fā)光效率是由內量子效率,電注入效率,提取效率和封裝效率的乘積決定的。

　　其中內量子效率主要取決于PN結外延材料的品質(zhì)如雜質(zhì)、晶格缺陷和量子阱結構,目前內量子效率達60%[1]。電注效率是由P型電極和N型電極間的半導體材料特性決定的，如歐姆接觸電阻，半導體層的體電阻（電子的遷移率）。對460nm藍光（2.7eV）LED，導通電壓3.2-3.6V,所以目前最好的電注入效率84%。但AlGaInPLEDs的大于90%。提取效率由半導體材料間及其出射介質(zhì)間的不同折射率引起界面上的反射，導致在PN發(fā)射的光不能完全逸出LED芯片。提取效率目前最大達75%[2]。封裝效率由封裝材料熒光粉的轉換效率和光學(xué)透鏡等決定的，封裝效率為60%[3]。因此目前白光LED的總效率可達23%。就LED芯片制造技術(shù)來(lái)說(shuō)，它只直接影響著(zhù)電注入效率和提取效率，因為內量子效率.和封裝效率分別直接與MOCVD技術(shù)和封裝技術(shù)有關(guān)，因此本文著(zhù)重介紹相關(guān)于電效率和提取效率的LED芯片技術(shù)及其發(fā)展趨勢。

　　1.改善電注入效率

　　從電學(xué)上來(lái)說(shuō)LED可以看作由一個(gè)理想的二極管和一個(gè)等效串聯(lián)電阻組成，其等效串聯(lián)電阻由P型層電阻、P型接觸電阻、N型層電阻、N型接觸電阻以及P-N結電阻等五部分組成。由于在四元AlGaInPLED中電注入效率大于90%，故下面重點(diǎn)討論GaN基LED。

　　1）接觸電阻　　

　　對于N-GaN的歐姆接觸相對容易制作，常用幾種金屬組合如Ti/Al，Ti/Al/Ti/Au,Cr/Au/Ti/Au等，接觸電阻率通?？梢赃_到10-5~10-6Ω·cm2[4]。尤其用得最多的四層金屬Cr/Au/Ti/Au的歐姆接觸達0．33nΩ·cm2[5]。值得一提的是有Al的金屬組合中高溫性能較差，在溫度較高時(shí)Al存在橫向擴散，這對于小尺寸芯片非常容易出現短路現象。

　　對于低阻的p-GaN歐姆接觸制作比較困難，原因是p-GaN材料的P型濃度小于1018cm-3，其次沒(méi)有與P-GaN材料的功函數（7.5eV[6]）匹配的金屬材料。目前具有最大功函數的金屬Pt，其功函數也只有5.65eV。所以接觸電阻率通常為10-2~10-3Ω·cm2。這樣的接觸電阻對于小功率LED來(lái)說(shuō)不存在嚴重的問(wèn)題，但對于大功率這個(gè)問(wèn)題不能忽略了。在這種情況下要獲得低阻的p-GaN歐姆接觸就得選擇合適的歐姆接觸金屬，還得去除GaN表面氧化層和采用優(yōu)化熱退火條件的措施。[7]

　　2）體電阻

　　由于摻Mg的P型GaN載流濃度只有1017/cm3量級，P型GaN層電阻率比較大（~1Ω?cm），比N型電阻率高出一個(gè)數量級以上，可以認為等效串聯(lián)電阻的體電阻主要產(chǎn)生在P型層中。因此，采用兩種方法來(lái)減小體電阻：一種是合理設計P、N電極結構，盡量縮短它們間的距離，尤其對于大功率芯片。另一種采用透明導電層（ITO/TCL）。

　　2.改善提取效率

　　大家知道，無(wú)論四元AlGaInP還是GaNLED，形成PN結的半導體材料具有高的折射率，根據Snell定律，光在不同折射率界面處會(huì )發(fā)生全反射，因而降低了提取效率。下面將闡明芯片制造技術(shù)如何改變LED芯片的界面，從而提高芯片的光提取效率。

　?。?）芯片塑形（chipshaping）

　　常規芯片的外形為立方體，左右兩面相互平行，這樣光在兩個(gè)端面來(lái)回發(fā)射，直到完全被芯片所吸收，轉化為熱能，降低了芯片的出光效率。1993年，M.R.Krames等用磨成角度切割刀將AlGaInPLED成倒金字塔(TruncatedInvertedPyramid,TIP)形狀（側面與垂直方向成35度角）[8]。芯片的四個(gè)側面不再是相互平行，可以使得射到芯片側面的光，經(jīng)側面的反射到頂面，以小于臨界角的角度出射；同時(shí)，射到頂面大于臨界角的光可以從側面出射，從而大大提高了芯片的出光效率，外部量子效率可以達55%，發(fā)光效率高達100lm/W。但將TIP用于加工采用硬度極高的藍寶石襯底的GaNLED有相等的困難。2001年，Cree公司成功地制作出具有相同的結構形式的GaN/SiCLED，其基板SiC具有被制作成斜面，并將外部量子效率提高到32%，但SiC價(jià)格比藍寶石的高的多。

　?。?）表面粗化

　　上面提到的芯片側面增加提取效率的方法，那么在出光正面如何提高出光效率呢？目前主流的方法是通過(guò)表面粗化技術(shù)來(lái)破壞光在芯片內的全反射，增加光的出射效率，提高芯片的光提取效率。主要包括兩種方法：隨機表面粗化和圖形表面粗化。隨機表面粗化，主要是利用晶體的各向異性，通過(guò)化學(xué)腐蝕實(shí)現對芯片表面進(jìn)行粗化；圖形表面粗化，利用光刻、干法(濕法)刻蝕等工藝，實(shí)現對芯片表面的周期性規則圖形結構的粗化效果。LeeYJ等人[9]利用HPO3:HCl(5:1)實(shí)現對AlGaInP各向異性腐蝕的隨機表面粗化。粗化的AlGaInPLED比未粗化的光致發(fā)光強度提高54%，外部量子效率提高54%，光輸出功率提高60%。

　　C.F.Shen等人[10]利用圖形表面粗化——圖形藍寶石襯底（PatternedSapphireSubstrate，PSS）制作GaNLED，其采用雙面PSS其光輸出功率比采用單面PSS和普通襯底的分別提高了23.7%和53.2%。

　?。?）全角反射鏡(Omni-DirectionalReflector，ODR)

　　相對于正面出光的反向背面光采用高反鏡面的形式來(lái)提高提取效率。對于經(jīng)典高亮AlGaInPLED，用MOCVD外延技術(shù)生長(cháng)DBR層作為鏡面，使得DBRLED出光強度是原始LED的1.3-1.6倍。但由于DBR反射率隨著(zhù)光入射角的增加迅速減少，仍有較高的光損耗，平均反射效率并不高。為此發(fā)展出與入射角無(wú)關(guān)的高反全角反射鏡(Omni-DirectionalReflector，ODR)，其由介質(zhì)和金屬組成[13]?？梢詫θ魏畏较蛉肷涞墓舛季哂懈叻瓷渎?，LED具有高光提取效率。全角反射鏡可應用于正裝芯片也可應用于倒裝芯片。2007年，Osram公司ReinerW等，利用干法將外延刻蝕成多斜面，并在外延上沉積SiNx和金屬，制作成掩埋式反射鏡。在20mA，芯片在650nm波段的外部量子效率達到50%，光效為100lm/W[14]。

　?。?）鍵合技術(shù)（Wafer-Bonding）

　　鍵合技術(shù)是獲取高效LED的基本技術(shù)，通常依賴(lài)于一系列要求，如溫度限制、密閉性要求和需要的鍵合后對準精度。在LED中常采用晶片直接鍵合和金屬共晶的方法。在金屬鍵合中，必須控制表面的粗糙度以及晶片的翹曲度。金屬合金在鍵合過(guò)程中會(huì )熔解并實(shí)現界面的平坦化。液態(tài)的界面使共晶鍵合需要施加相對較小卻要一致的壓力。在不同的冶金學(xué)系統中共晶合金形成于250-390℃之間。常用的共晶鍵合包括Au-Si，Au-Sn，In-Sn，Au-In，Pb-Sn，Au-Ge，Pd-In。四元AlGaInP/GaAsLED采用透明（GaP）和Si基板，InGaN/GaNLED常采用Si基板。鍵合機的重要性能指標是溫度、壓力的均勻性。

　?。?）激光剝離技術(shù)（LaserLiftOff,LLO）

　　近幾年來(lái)，藍寶石GaNLED的光效有了很大的提升，但由于藍寶石GaN結構和藍寶石導熱的局限性,進(jìn)一步提升藍寶石GaNLED的光效受到限制，利用剝離藍寶石襯底來(lái)避免這個(gè)問(wèn)題。目前有幾種方法如機械磨拋和激光剝離來(lái)去除藍寶石襯底，但激光剝離技術(shù)是比較成功的剝離技術(shù)，也成為業(yè)界主流方法。它是利用紫外KrF脈沖準分子激光，比如248nm（5eV）,對藍寶石襯底透光(9.9eV)，GaN層吸收從而在藍寶石和GaN界面產(chǎn)生激光等離子體，爆破沖擊波使他們分離的原理。

　　在實(shí)際工作中，首先在準備鍵合的基板和GaN外延上蒸鍍鍵合金屬；然后，將GaN外延鍵合到基板上；再用KrF脈沖準分子激光器照射藍寶石底面，使藍寶石和GaN界面GaN產(chǎn)生熱分解；再加熱使藍寶石脫離GaN，從而實(shí)現對GaN藍寶石襯底的剝離[15]。2003年，OSRAM利用該技術(shù)成功將GaNLED藍寶石襯底去除，將GaNLED芯片的出光效率提升至75%，為傳統的三倍。

　?。?）倒裝技術(shù)(FlipChip)

　　常規GaNLED主要采用藍寶石襯底，由于它的絕緣性，芯片的P和N電極只能設計制作在芯片的同一外延面上，這樣由于N和P型的歐姆接觸區域，電極區域和封裝的金線(xiàn)遮擋導致了芯片有效出光區的面積減??；另外P型電極上增加導電性的Ni-Au或ITO層對光具有吸收性。因此，常規的GaNLED結構限制了GaNLED提取效率的提高。如果利用倒裝技術(shù)就可以解決上述兩問(wèn)題，提高LED的光提取效率。倒裝技術(shù)就是將芯片進(jìn)行倒置，P型電極采用覆蓋整個(gè)Mesa的高反射膜，從而光從藍寶石襯底出射，避免了P型電極金屬的遮擋。加上藍寶石襯底的折射率1.7比GaN的2.4小，可以提高芯片的光出射效率。另外，也可以解決藍寶石散熱不良問(wèn)題，倒裝技術(shù)可以借助電極(或凸點(diǎn))與封裝的基板Si直接接觸，從而降低了熱阻，提升芯片的散熱性能，提高器件可靠性。2001年，WiererJJ等研制出GaNLED功率型倒裝芯片[16]。在200mA在435nm波段的外部量子效率達到21%，光電轉化效率達到20%，光提取效率是正裝芯片的1.6倍；在1A下，光輸出功率達到了400mW。目前倒裝技術(shù)成為獲取高效大功率LED芯片技術(shù)的主流之一。

　?。?）光子晶體（PhotonicCrystal）

　　光子晶體主要用在LED表面或襯底上，是周期性分布的二維光學(xué)微腔。由于其在一定波段范圍內光的禁帶，光不能夠在其中傳輸，因而當頻率處在禁帶內的光入射就會(huì )發(fā)生全反射。只要設計好光子晶體的結構參數，可以使得LED發(fā)出的光都在禁帶內被反射,光子晶體不但增加了內量子效率，也增加提取效率[17]。理論研究，指出通過(guò)制作帶有光子晶體表面的芯片，可以使得其出光效率達到40%[18]。M.Boroditsky等人在發(fā)光區周?chē)谱鞫S光子晶體，其光致發(fā)光強度比未采用的增強了60%，外部量子效率可達到70%[19]。

　?。?）薄膜芯片技術(shù)（Filmtechnology）

　　傳統的藍寶石襯底，由于其結構上的限制發(fā)光效率的提升受到了限制。結合鍵合技術(shù)（wafer-bonding）和激光剝離（LLO）技術(shù)，通過(guò)去掉襯底，粗化出光面，無(wú)論在熱特性還是光特性，都具有很好的性能。再通過(guò)表面粗化和倒裝技術(shù)，可以獲得光效和散熱最好芯片，提取效率達75%[2]。

　　(9)ACLED芯片技術(shù)

　　普通LED芯片必須供給合適的直流供電才能正常發(fā)光，而日常生活中采用的高壓交流電(AC100～220V)，必須將其由交流(AC)轉換為直流(DC)，由高壓轉換為低壓，才可以來(lái)驅動(dòng)LED進(jìn)行正常工作；同時(shí)，在進(jìn)行AC與DC轉換時(shí)有15%～30%的電能損失。用交流AC直接驅動(dòng)LED發(fā)光，整個(gè)LED系統將大大簡(jiǎn)化。利用LED單向導通的特性，人眼不能響應AC的50-60Hz頻率變化。所以，ACLED具有體積較小、效率高、高壓低電流導通、雙向導通，及GaNLED不存在靜電擊穿ESD等優(yōu)點(diǎn)。ACLED技術(shù)關(guān)鍵是通過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)將正反向的多個(gè)微型芯片集成在單個(gè)大芯片上（如1.5mmx1.5mm），其輸出功率可比同尺寸DCLED芯片提約50%。目前已有商品化功率型產(chǎn)品，在色溫3000K為標準、CRI85下，可以實(shí)現75lm/W。

　　3.技術(shù)發(fā)展趨勢

　　追求高的發(fā)光效率，一直是LED芯片技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力。倒裝技術(shù)是目前獲取高效大功率LED芯片的主要技術(shù)之一，襯底材料中藍寶石和與之配套的垂直結構的襯底剝離技術(shù)（LLO）和鍵合技術(shù)仍將在較長(cháng)時(shí)間內占統治地位。光子晶體和ACLED技術(shù)將是未來(lái)潛力很的技術(shù)。

　　在不久的將來(lái)，采用新的金屬半導體結構，改善歐姆接觸，提高晶體質(zhì)量，改善電子遷移率，電注入效率可獲得92%。改善LED芯片外形，表面粗化和光子晶體，高反射率鏡面，透明電極，提取效率可得90%，那時(shí)白光LED的總效率可達到52%.

　　隨著(zhù)LED光效的提高，一方面芯片越做越小，在一定大小的外延片，如22，可切割的芯片數越多，從而降低單顆芯片的成本，降低了價(jià)格。如出現6mil。另一方面單芯片功率越做越大，如3W，將來(lái)往5W，10W發(fā)展。這對于功率需求的照明等應用中可以減少芯片使用數，降低應用系統的成本。