淺談LED製程技術

LED的應用面很廣,然而晶片本身價格過高和發光效率有待提升的問題,始終困擾著LED照明技術的推廣普及。發光效率要提升,就要有效增加取出效率。而LED的發光顏色和發光效率與製作LED的材料和製程有關,製造LED的材料不同,可以產生具有不同能量的光子,藉此可以控制LED所發出光的波長,也就是光譜或顏色。

一、透明襯底技術
 InGaAlP LED通常是在GaAs襯底上外延生長InGaAlP發光區GaP窗口區製備而成。與InGaAlP相比,GaAs材料具有小得多的禁帶寬度,因此,當短波長的光從發光區與窗口表面射入GaAs襯底時,將被悉數吸收,成為器件出光效率不高的主要原因。在襯底與限制層之間生長一個布喇格反射區,能將垂直射向襯底的光反射回發光區或視窗,部分改善了器件的出光特性。一個更為有效的方法是先去除GaAs襯底,代之於全透明的GaP晶體。由於晶片內除去了襯底吸收區,使量子效率從4%提升到了25-30%。為進一步減小電極區的吸收,有人將這種透明襯底型的InGaAlP器件製作成截角倒錐體的外形,使量子效率有了更大的提高。

二、金屬膜反射技術
透明襯底製程首先起源於美國的HP、Lumileds等公司,金屬膜反射法主要有日本、台灣廠商進行了大量的研究與發展。這種製程不但迴避了透明襯底專利,而且,更利於規模生產。其效果可以說與透明襯底法具有異曲同工之妙。該製程通常謂之MB製程,首先去除GaAs襯底,然後在其表面與Si基底表面同時蒸鍍Al質金屬膜,然後在一定的溫度與壓力下熔接在一起。如此,從發光層照射到基板的光線被Al質金屬膜層反射至晶片表面,從而使器件的發光效率提高2.5倍以上。

三、表面微結構技術
表面微結構製程是提高器件出光效率的又一個有效技術,該技術的基本要點是在晶片表面刻蝕大量尺寸為光波長量級的小結構,每個結構呈截角四面體狀,如此不但擴展了出光面積,而且改變了光在晶片表面處的折射方向,從而使透光效率明顯提高。測量指出,對於視窗層厚度為20µm的器件,出光效率可增長30%。當視窗層厚度減至10µm時,出光效率將有60%的改進。對於585-625nm波長的LED器件,製作紋理結構後,發光效率可達30lm/w,其值已接近透明襯底器件的水準。

四、倒裝晶片技術
通過MOCVD技術在蘭寶石襯底上生長GaN基LED結構層,由P/N結髮光區發出的光透過上面的P型區射出。由於P型GaN傳導性能不佳,為獲得良好的電流擴展,需要通過蒸鍍技術在P區表面形成一層Ni-Au組成的金屬電極層。P區引線通過該層金屬薄膜引出。為獲得好的電流擴展,Ni-Au金屬電極層就不能太薄。為此,器件的發光效率就會受到很大影響,通常要同時兼顧電流擴展與出光效率二個因素。但無論在什麼情況下,金屬薄膜的存在,總會使透光性能變差。此外,引線焊點的存在也使器件的出光效率受到影響。採用GaN LED倒裝晶片的結構可以從根本上消除上面的問題。

五、晶片鍵合技術
光電子器件對所需要的材料在性能上有一定的要求,通常都需要有大的帶寬差和在材料的折射指數上要有很大的變化。不幸的是,一般沒有天然的這種材料。用同質外延生長技術一般都不能形成所需要的帶寬差和折射指數差,而用通常的異質外延技術,如在矽片上外延GaAs和InP等,不僅成本較高,而且結合介面的位元錯密度也非常高,很難形成高品質的光電子集成器件。由於低溫鍵合技術可以大大減少不同材料之間的熱失配問題,減少應力和位錯,因此能形成高品質的器件。隨著對鍵合機理的逐漸認識和鍵合製程技術的逐漸成熟,多種不同材料的晶片之間已經能夠實現互相鍵合,從而可能形成一些特殊用途的材料和器件。如在矽片上形成矽化物層再進行鍵合就可以形成一種新的結構。由於矽化物的電導率很高,因此可以代替雙極型器件中的隱埋層,從而減小RC常數。

六、 鐳射剝離技術(LLO)
鐳射剝離技術(LLO)是利用鐳射能量分解GaN/藍寶石介面處的GaN緩衝層,從而實現LED外延片從藍寶石襯底分離。技術優點是外延片轉移到高熱導率的熱沉上,能夠改善大尺寸晶片中電流擴展。n面為出光面:發光面積增大,電極擋光小,便於製備微結構,並且減少刻蝕、磨片、劃片。更重要的是藍寶石襯底可以重複運用。

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