提升外量子效率的LED芯片结构技术探讨
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【摘 要】随着照明设计理论的不断发展发光二极管（LED）外量子效率的提升成为了提升其照明水平的基础与关键。本文从几个方面出发，对LED芯片制作过程中的几种外量子效率提升技术进行了分析探讨。
【关键词】led；外量子；效率提升
发光二级管于1960年被研制出并投入商业生产，是一种利用固体直接发光的绿色光源，具有体积小、重量轻、寿命长、可靠性高、高响应速度、抗震性好、光效高、节能、防爆等优越性。是二十世纪微电子技术、光电子技术和新材料技术的产物，引领了二十一世纪光源和照明革命。随着LED整体水平的不断发展，在人们的日常生活中发光二极管得到了更加广泛的应用。随着红黄绿蓝LED在图像显示、信号指示、普通照明、基础研究等方面的应用，及紫光、紫外LED在验钞、光固化、现代农业等方面的应用，人们对LED亮度和光效不断提升的要求越来越迫切，因此LED外量子效率的提升也得到了越来越多专业人士和企业的重视与关注。以下通过对DBR结构、倒装芯片技术、垂直结构芯片技术进行分析，仅对LED芯片外量子效率提升进行了研究。
1 DBR结构
DBR （distributed Bragg reflector）结构是在20世纪80年代出现的LED外量子效率提升结构。通常来说DBR结构是由两种折射率完全不同的材料进行周期交替从而生长成的层状结构。DBR结构一般处于正装结构的LED的源层和衬底之间并且能够有效将射向衬底的光在表面或者侧面进行反射，从而在很大程度上减少了衬底对光的吸收并同时合理提高出光效率。除此之外，DBR 结构在LED中的应用可以促进金属有机化学气相沉积发法的直接利用，即这种方法的有效利用可以减少LED的加工处理次数。 由于DBR 结构通常由交替的多层高折射率和低折射率材料相互组成并且每层的光学厚度均为发射波长的1/4。因此当DBR结构为2p+1 层时其反射率和结构为2p层的反射率是完全不同的。除此之外，复合型DBR结构在LED中的应用可以促进其出光效率较常规DBR 可以提高约35%左右并且配合其他优化结构可以使复合DBR 结构对LED 光提取效率的改善效果会更为明显，从而具有很好的成本优势，因此现今已经广泛应用于商业生产中。
2 倒装芯片技术
倒装芯片技术是提升LED外量子效率的重要技术。通常来说在LED的运行过程中由于P 型GaN的电导率往往较低，因此为了更好地满足电流扩展的要求，通常会需要在P 区表面形成一层金属电极层。并且为了获得好的电流扩展P区表面形成的金属电极层不能太薄，但如果太厚则会对LED的发光效率造成较大影响，因此在这一过程中关键环节就是兼顾电流扩展与出光效率两个因素。因此倒装芯片技术的采用可以有效的对这一环节进行处理并对存在的问题进行合理解决。倒装技术之所以被称为“倒装”是相对于传统的金属线键合连接方式而言的。传统的通过金属线键合与基板连接的晶片电气面朝上，而倒装晶片的电气面朝下，相当于将前者翻转过来，故称其为倒装结构。倒装结构从蓝宝石衬底出光，蓝宝石/（硅胶+荧光粉）出空气的全反射临界角为51.1～70.8°，全反射角为23.6°， GaN/（硅胶+荧光粉） 的全反射临界角为36.7～45.1°，全反射角为36°，因此进入空气发生全反射的概率大幅度降低，有利于提升出光效率；还避开P电极吸收光和电极垫遮光，及电极焊点和引线对出光效率的影响，并且改善了电流扩散性从而能够更进一步的提升出光效率；倒装结构的P极金属反射层的导电率明显高于正装结构的ITO透明电极，驱动电压有了较大幅度的降低，倒装结构的导热系数约120W/mK，传统正装芯片蓝宝石导热系数约20W/mK。 倒装结构的导热系数明显优于正装结构芯片，因此可以有效增大输出功率降低热阻同时合理提高LED的可靠性。通常来说倒装芯片技术的应用可以使LED的外量子效率提升21%左右，并且功率转换效率提升大约20%。
3 垂直结构芯片技术
目前LED大多在蓝宝石衬底上外延获得，蓝宝石尽管有较高的透光率，但热传导性能很差，受蓝宝石衬底电绝缘特性的影响， 传统平面结构GaN 基LED通常采用台面结构实现电流的侧向注入。这就造成LED芯片内部电流分布一致性较差， 局部区域电流过大， 影响器件电学、光学特性及长期可靠性。而垂直结构可以有效解决正装结构LED存在的问题，它通过晶片键合以及蓝宝石衬底激光剥离， 将GaN外层转移至Cu、Si等具有良好导电、导热特性的衬底材料上， 在很大程度上提高了散热效率。垂直结构的LED芯片的两个电极分别在LED外延层的两侧，通过图形化的n电极，使得电流几乎全部垂直流过LED外延层，横向流动的电流极少，可以避免正装结构的电流拥挤问题，提高发光效率，同时也解决了P极的遮光问题，提升LED的发光面积，使器件效率进一步提高。
衬底激光剥离是垂直结构芯片技术中的关键核心技术之一，激光剥离是利用GaN材料对一定波长紫外光线的带边吸收，利用GaN材料高温分解特性及GaN与蓝宝石间的带隙差，采用光子能量大于GaN带隙而小于蓝宝石带隙的紫外脉冲激光，透过蓝宝石衬底辐照GaN材料，在其界面处产生强烈吸收，使局部温度升高，GaN气化分解为金属镓和氮气，实现蓝宝石衬底剥离。要做到成功的剥离，做到剥离表面完整且平整，GaN不脱落，使后续工艺正常进行，需研究合适的激光源波长和能流密度、激光先扫描步进、光斑定位等方面的工艺条件。选择合适的能量密度，使高温区集中于界面附近是实现高效、低损伤激光剥离的重要因素；另外，激光束的准直以及激光光斑的均匀性是实现成功剥离的保证。
通常在相同电流驱动下，垂直结构与正装结构相比，会使出光效率提高一倍以上，使LED的散热能力提高4倍左右。另外，垂直结构LED能够保证在一定的发光效率的前提下，采用较大的电流去驱动，这样一个垂直结构LED芯片可以相当于几个正装结构芯片，折合成本只有正装结构的几分之一。GaN 基LED 的器件结构， 主要经历了正装结构、倒装结构， 以及目前广为国际上重视的垂直结构三个主要阶段。本质上讲， 前两种器件结构――倒装结构、正装结构均没有摆脱蓝宝石衬底对器件结构设计的束缚。2004 年开始， 垂直结构得到了人们的广泛关注， 垂直结构通过热压键合、激光剥离（ LLO） 等工艺， 将GaN 外延结构从蓝宝石转移到Cu、Si 等具有良好电、热传导特性的衬底材料上， 器件电极上下垂直分布， 从而彻底解决了正装、倒装结构GaN 基LED 器件中因为电极平面分布、电流侧向注入导致的诸如散热、电流分布不均匀、可靠性等一系列问题。因此， 垂直结构也被称为是继正装、倒装之后的第三代GaN 基LED器件结构， 很有可能取代现有的器件结构而成为GaN 基LED 技术主流。
4 结语
随着LED应用水平的不断提升LED外量子效率提升问题成为了LED相关领域的重要研究内容。LED研究人员在外量子效率提升问题的研究过程中应当注重DBR结构、倒装芯片技术垂直结构芯片技术等技术的合理应用，从而促进LED外量子效率的不断提升。
参考文献：
[1]翁寿松.高亮度发光二极管及制造设备[J].电子工业专用设备，2009（1）.