1、引言

　　自從l991 年N ichia 公司Nakamura 等成功研制出摻Mg的同質(zhì)結(jié)GaN 藍(lán)光LED 后，GaN基LED 得到了迅速發(fā)展。GaN 基LED 以其壽命長、耐沖擊、抗震、高效節(jié)能等優(yōu)異特性在圖像顯示、信號指示、照明以及基礎(chǔ)研究等方面有著極為廣闊的應(yīng)用前景[1]，將來還有可能代替白熾燈、熒光燈，實(shí)現(xiàn)人類照明史上的又一次革命。但目前商用白光LED 的發(fā)光效率只有25耀50 lm/W，其發(fā)光效率與熒光燈相比還比較低[2]。表1[3]給出了不同年份LED 的發(fā)光效率，可以看出近30 年來LED的發(fā)光效率提高了250 倍以上。隨著LED 的應(yīng)用越來越廣泛，如何提高GaN 基LED 的發(fā)光效率越來越成為關(guān)注的焦點(diǎn)[2，4~6]。提高LED 發(fā)光效率的兩個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)是提高其內(nèi)量子效率和外量子效率。由于工藝和技術(shù)的成熟，已經(jīng)可以制備內(nèi)量子效率達(dá)到70%，80%的GaN 基LED。因此，通過提高內(nèi)量子效率來大幅度提高LED 發(fā)光效率已沒有很大的余地[2]。半導(dǎo)體照明LED 關(guān)鍵技術(shù)之一也就是如何通過提高外量子效率來提升其出光效率。多年以來，人們開展了很多研究來提高其外量子效率[2]。下面主要介紹從芯片技術(shù)角度提高外量子效率的方法以及影響外量子效率的一些因素。

表1、不同生產(chǎn)年份LED的發(fā)光效率比較

　　2、提高外量子效率

　　2.1 生長分布布拉格反射層(DBR)結(jié)構(gòu)

　　DBR (distributed Bragg reflector)結(jié)構(gòu)早在20 世紀(jì)80 年代由R. D. Burnham 等[7]提出。它是兩種折射率不同的材料周期交生長的層狀結(jié)構(gòu)，它在有源層和襯底之間，能夠?qū)⑸湎蛞r底的光反射回表面或側(cè)面，減少襯底對光的吸收，提高出光效率。DBR結(jié)構(gòu)可以直接利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積發(fā)法(MOCVD)設(shè)備進(jìn)行生長，無需再次加工處理。

　　DBR 結(jié)構(gòu)由交替的多層高折射率和低折射率材料(折射率分別為nH 和nL)組成，每層的光學(xué)厚度為發(fā)射波長的1/4。每層的厚度hH和hL分別為:

　　其中，l0是發(fā)射波長，θH和θL分別是每層的入射角。DBR 結(jié)構(gòu)的反射率由材料的折射率和周期數(shù)p決定。當(dāng)DBR 結(jié)構(gòu)為2p+1 層時(shí)，其反射率為:

　　當(dāng)DBR 結(jié)構(gòu)為2p 層，反射率為:

　　從(4)式可以看出：周期數(shù)越多，兩種材料折射率相差越大，DBR 結(jié)構(gòu)的反射率也越大。DBR結(jié)構(gòu)的LED 如圖1 所示。Kato 等和Saka 等[7]首先利用這種方法提高了吸收型GaAS 襯底上生長的紅外GaAs/AlGaAs LED 的效率。具有GaN/AlGaNDBR 的AlInGaN藍(lán)色LED 也已見報(bào)道。一般情況下應(yīng)用10~20 個(gè)周期的DBR。

　　傳統(tǒng)DBR 只對垂直入射和小角度入射的光有高反射率。對大傾斜角入射的光，由于其反射率很小，大部分光將透過DBR 被GaAs 襯底吸收，為此可以將兩種不同中心波長的DBR 組合成復(fù)合結(jié)構(gòu)，這樣就可以擴(kuò)展反射帶，從而大幅度提高LED 器件的性能。于曉東等[9]制備了采用A10.6Ga0.4As/A1As復(fù)合DBR 的LED 器件，其出光效率較常規(guī)DBR 可以提約35豫，如配合其他優(yōu)化結(jié)構(gòu)，復(fù)合DBR 結(jié)構(gòu)對LED 光提取效率的改善效果會(huì)更為明顯。

　　帶DBR 結(jié)構(gòu)也可以直接利用醞韻悅災(zāi)閱設(shè)備進(jìn)行一次外延生長完成，具有很好的成本優(yōu)勢，而且材料晶格常數(shù)與襯底匹配，反射率高，對器件的電學(xué)特性影響小，目前已經(jīng)應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn)。

　　2.2 透明襯底技術(shù)

　　除了采用DBR 結(jié)構(gòu)將光反射掉，還可以將LED 的GaAs 襯底換成透明襯底，使光從下底面出射。透明襯底技術(shù)主要是為了消除吸收襯底的影響，增大出光表面積。

　　制作透明襯底的方法主要有：1) 透明襯底可以在LED 晶片生長結(jié)束后，移去吸光的n-GaAs襯底，利用二次外延生長出透明的、寬禁帶導(dǎo)電層;2) 先在n-GaAs 襯底片上生長厚50 滋m 的透明層(例如AlGaAs)，然后再移去GaAs 襯底;3) 采用粘合技術(shù)[7]，如圖2 所示，將兩個(gè)不同性質(zhì)的晶片結(jié)合到一起，并不改變原來晶體的性質(zhì)。用選擇腐蝕的方式將GaAs 襯底腐蝕掉后，在高溫單軸力的作用下將外延片粘合到透明的n-GaP 上。制成的器件是GaP 襯底-有源層-GaP 窗口層的三明治結(jié)構(gòu)。它允許光從6 個(gè)面出射，因而提高了出射效率[7]。

　　1994 年Hewlett-Packard 公司開始生產(chǎn)透明(AlxGa1-x)0.5In0.5P/GaP LED，這是當(dāng)時(shí)所能獲得的最高亮度的LED。據(jù)1996 年的報(bào)道[7]，636 nm 的透明LED 外量子效率可以達(dá)到23.7%;607.4 nm的透明襯底LED 的發(fā)光效率達(dá)到50.1 lm/[7]。

圖2、制作透明襯底用GaP代替GaAs

　　還有，InGaAlP LED 通常是在GaAs襯底上外延生長InGaAlP發(fā)光區(qū)GaP 窗口區(qū)制備而成。與InGaAlP 相比，GaAs 材料具有小得多的禁帶寬度，因此，當(dāng)短波長的光從發(fā)光區(qū)與窗口表面射入GaAs 襯底時(shí)，將被吸收，成為器件出光效率不高的主要原因。如果采用透明襯底方法，先去除GaAs 襯底，代之于全透明的GaP晶體，由于芯片內(nèi)除去了襯底吸收區(qū)，量子效率從4豫提升到了25%-30%。

　　2.3 襯底剝離技術(shù)

　　為了減少襯底的吸收，除了采用透明襯底技術(shù)外，還可以采用襯底剝離技術(shù)。它是利用紫外激光照射襯底，熔化緩沖層而實(shí)現(xiàn)襯底剝離。該技術(shù)主要由3 個(gè)關(guān)鍵工藝步驟完成: (1)在外延表面沉積鍵合金屬層(如Pd 100 nm)，在鍵合底板上(如Si 底板)表面沉積一層1000 nm 的銦;(2)將外延片低溫鍵合到底板上;(3) 用KrF脈沖準(zhǔn)分子激光器照射藍(lán)寶石底面，使藍(lán)寶石和GaN 界面的GaN產(chǎn)生熱分解，再通過加熱(40益)使藍(lán)寶石脫離GaN[10]。

　　這項(xiàng)技術(shù)首先由美國惠普公司在AlGaInP/GaAs LED 上實(shí)現(xiàn)，因?yàn)镚aAs 襯底的吸收，使得LED 內(nèi)部光損失非常大。通過剝離GaAs 襯底，然后粘接在GaP襯底上，可以提高近2 倍的發(fā)光效率。2002 年12 月日亞公司[11]正式把它用UV LED 的工藝上，得其發(fā)光效率得到了很大的提高。2003 年2 月，德國OSRAM 公司[12]用激光剝離技術(shù)(LLO)將藍(lán)寶石去除，將LED 出光效率提至75 %，是傳統(tǒng)LED 的3 倍，目前他們已建立了第一條LLO生產(chǎn)線。

　　此外，德國Osram Opto 半導(dǎo)體公司[13]通過使用薄膜技術(shù)，發(fā)明了一種無襯底的LED 設(shè)計(jì)方法，它采用GaAs 襯底用作晶體生長，制作過程中，在LED 的上表面鍍了一層金屬膜，然后粘合到一個(gè)分離的作為載體的薄晶片上。這種技術(shù)比傳統(tǒng)的LED 允許發(fā)射出更多的光。采用這種結(jié)構(gòu)的615 nm 紅色LED 能夠獲得超過50 lm/W 的發(fā)光效率，使出光效率提高了一倍以上。

　　還有，如果將芯片鍵合到Cu片上，再用激光剝離藍(lán)寶石襯底，可使散熱能力提高4 倍。Si 的熱導(dǎo)率比GaAs 和藍(lán)寶石都好，而且易于加工，價(jià)格便宜，是功率型芯片的首選材料。

　　2.4 倒裝芯片技術(shù)

　　AlGaInN 基LED 外延片一般是生長在藍(lán)寶石襯底上，由P/N結(jié)發(fā)光區(qū)發(fā)出的光透過上面的P型區(qū)射出，由于P 型GaN 電導(dǎo)率低，為滿足電流擴(kuò)展的要求，需要在P 區(qū)表面形成一層Ni-Au 組成的金屬電極層。而且為了獲得好的電流擴(kuò)展，Ni-Au 金屬電極層不能太薄。但器件的發(fā)光效率就會(huì)因此受到很大影響，所以通常要同時(shí)兼顧電流擴(kuò)展與出光效率兩個(gè)因素。

　　采用GaN 基LED 倒裝芯片技術(shù)可以解決這個(gè)問題[14]。該技術(shù)可增大輸出功率、降低熱阻，提高器件可靠性。它從藍(lán)寶石襯底面出光，解決了電極遮光和藍(lán)寶石散熱不良的問題，在P 電極上做上厚層的銀反射器，然后通過電極凸點(diǎn)與基底上的凸點(diǎn)鍵合，基座用散熱良好的Si 材料制作，并可在基座上制作防靜電電路。2001 年美國Lumileds 公司[15]倒裝焊技術(shù)在大功率AlInGaN 基芯片上的應(yīng)用，避免了電極焊點(diǎn)和引線對出光效率的影響，改善了電流擴(kuò)散性和散熱性，背反射膜將傳向下方的光反射回出光的藍(lán)寶石一方，進(jìn)一步提升出光效率，外量子效率達(dá)到21%，功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到20%(200 mA，435 nm)，最大功率達(dá)到400 mW(驅(qū)動(dòng)電流1 A，435 nm，芯片尺寸1 mm伊1 mm)，其總體發(fā)光效率比正裝增加1.6 倍。

　　北京工業(yè)大學(xué)鄒德恕等[16]也報(bào)道光從GaN/InGaN 量子阱發(fā)出后，由于臨界角很小，大部分光只能在器件的內(nèi)部反射，被吸收掉，不能從GaN 表面射出。如果采用倒裝技術(shù)在GaN 表面P 電極歐姆層上制作金屬鋁反光鏡，使光從藍(lán)寶石表面射出，由于它的內(nèi)反射臨界角比GaN 的大，所以光線容易射出，出光效率提高，可以達(dá)到正面出光效率的2 倍左右。無論從節(jié)省工藝成本還是提高系統(tǒng)性能的角度，倒裝芯片技術(shù)都將大有前途。

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