淺析大功率LED芯片技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

　　大功率芯片技術(shù)專注于如何提升出光效率來提升芯片的發(fā)光效率，主要技術(shù)途徑和發(fā)展?fàn)顩r闡述如下：

　　一：改變芯片外形的技術(shù)

　　當(dāng)發(fā)射點處于球的中心處時，球形芯片可以獲得最佳的出光效率。改變芯片幾何形狀來提升出光效率的想法早在60年代就用于二極管芯片，但由于成本原因一直無法實用。在實際應(yīng)用中，往往是制作特殊形狀的芯片來提高側(cè)向出光的利用效率，也可以在發(fā)光區(qū)底部(正面出光)或者外延層材料(背面出光)進(jìn)行特殊的幾何規(guī)格設(shè)計，并在適當(dāng)?shù)膮^(qū)域涂覆高防反射層薄膜，來提高芯片的側(cè)向出光利用率。

　　1999年HP公司開發(fā)了倒金字塔形AlInGaP芯片并達(dá)到商用的目標(biāo)，TIP結(jié)構(gòu)減少了光在晶體內(nèi)傳輸距離、減少了內(nèi)反射和吸收(有源區(qū)吸收和自由截流子吸收等)引起的光損耗、芯片特性大幅度改善，發(fā)光效率達(dá)100流明/瓦(100mA，610nm)，外量子效率更達(dá)到55%(650nm)，而面朝下的倒裝結(jié)構(gòu)使P-N結(jié)更接近熱沉，改善了散熱特性，提高了芯片壽命。

　　二：鍵合技術(shù)

　　AlGaInP和AlGaInN基二極管外延片所用的襯底分別為GaAs和藍(lán)寶石，它們的導(dǎo)熱性能都較差。為了更有效的散熱和降低結(jié)溫，可通過減薄襯底或去掉原來用于生長外延層的襯底，然后將外延層鍵合轉(zhuǎn)移倒導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能良好熱導(dǎo)率大的襯底上，如銅、鋁、金錫合金、氮化鋁等。鍵合可用合金焊料如AuSn、PbSn、In等來完成。Si的熱導(dǎo)率比GaAs和藍(lán)寶石都好，而且易于加工，價格便宜，是功率型芯片的首選材料。

　　2001年，Cree推出的新一代XBTM系列背面出光的功率型芯片，其尺寸為0.9mmx0.9mm，頂部引線鍵合墊處于中央位置，采用"米"字形電極使注入電流能夠較為均勻的擴(kuò)展，底部采用AuSn合金將芯片倒裝焊接在管殼底盤上，具有較低的熱阻，工作電流400mA時，波長405和470nm的輸出光功率分別為250mW和150mW。

　　三：倒裝芯片技術(shù)

　　AlGaInN基二極管外延片一般是生長在絕緣的藍(lán)寶石襯底上，歐姆接觸的P電極和N電極只能制備在外延表面的同一側(cè)，正面射出的光部分將被接觸電極所吸收和鍵合引線遮擋。造成光吸收更主要的因素是P型GaN層電導(dǎo)率較低，為滿足電流擴(kuò)展的要求，覆蓋于外延層表面大部分的半透明NiAu歐姆接觸層的厚度應(yīng)大于5-10nm，但是要使光吸收最小，則NiAu歐姆接觸層的厚度必須非常薄，這樣在透光率和擴(kuò)展電阻率二者之間則要給以適當(dāng)?shù)恼壑?，折衷設(shè)計的結(jié)果必定使其功率轉(zhuǎn)換的提高受到了限制。

　　倒裝芯片技術(shù)可增大輸出功率、降低熱阻，使發(fā)光的pn結(jié)靠近熱沉，提高器件可靠性。2001年Lumileds報道了倒裝焊技術(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，背反射膜的制備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)21%，功率換效率達(dá)20%(200mA，435nm)，最大功率達(dá)到400mW(驅(qū)動電流1A，435nm，芯片尺寸1mmx1mm)，其總體發(fā)光效率比正裝增加1.6倍。

　　四：全方位反射膜

　　除在鍵合界面制備金屬基反射層外，也可以通過外延技術(shù)生長具DBR層的AlInGaP和AlInGaN基芯片，但由于DBR反射率隨著入射角的增加迅速減少，以全方位平均仍有較高的光損耗，反射膜效率不高。

　　金屬基全方位反射膜可應(yīng)用于正裝芯片也可應(yīng)用于倒裝芯片。金屬基全方位反射膜可有效提升出光效率，但必須解決如何制備低阻歐姆接觸，高的全方位反射率，和在后續(xù)工藝過程中反射膜不會被損害而失去低阻高反射的特性等。

　　五：金屬鍵合剝離技術(shù)

　　美國惠普公司結(jié)合鍵合技術(shù)最早采用大襯底剝離技術(shù)將GaAs襯底與外延層剝離，然后將外延層粘接在透明的GaP襯底上制備AlInGaP基芯片，此項技術(shù)可以提高近2倍的發(fā)光效率。

　　1996年報道了用激光技術(shù)將2英寸HVPEGaN與藍(lán)寶石剝離，用Si(或金屬)襯底取代藍(lán)寶石襯底的AIGaInN功率型芯片主要由三個關(guān)鍵工藝步驟完成：①在外延表面淀積鍵合金屬層如Pd100nm，以及在鍵合底板上如Si底板表面淀積一層1000nm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度)使藍(lán)寶石脫離GaN。

　　2003年2月，德國OSRAM公司用激光技術(shù)將藍(lán)寶石去除，使芯片的出光效率提至75%，是傳統(tǒng)芯片的3倍。采用將芯片鍵合到Cu片上再激光剝離藍(lán)寶石襯底，可使散熱能力提高4倍，發(fā)光功率也提升4倍。

　　六：表面粗糙化

　　表面粗糙化主要是將那些滿足全反射定律的光改變方向，繼而在另一表面或反射回原表面時不被全反射而透過界面，并能起防反射的功能。表面粗糙通過散射光的方向減少內(nèi)反射，但同時又不能損傷材料的電光特性。透射率的增加被認(rèn)為是表面粗糙化的主要功能，優(yōu)化的表面粗糙(430nm球狀起伏表面)可使出光效率可以達(dá)到54%。

　　德國Osram公司于2001年研制出新一代的AlInGaP基芯片，采用最新設(shè)計將芯片窗口層表面腐蝕成能夠提高出光效率的紋理結(jié)構(gòu)，見圖2-10。芯片表面紋理的基本單元為具有斜面的三角形結(jié)構(gòu)，光子的反射路線被封閉在這樣的結(jié)構(gòu)之中，使有源層發(fā)出的光子能夠更有效地被取出。歐姆接觸電極的幾何圖形位于出光結(jié)構(gòu)注入電流的部位，這樣可使注入電流更有效的擴(kuò)展到有源區(qū)。外延片的布拉格反射層被設(shè)計成具有較寬的反射角度，這樣可使芯片背反射的大部分被覆蓋。采用這種紋理表面結(jié)構(gòu)的AlInGaP基芯片可以獲得大于50%的外量子效率，芯片封裝后的功率轉(zhuǎn)換效率超過30流明/瓦，是常規(guī)AlInGaP基芯片(GaAs襯底)的2倍，與采用晶片鍵合技術(shù)的AlInGaP基芯片(GaP透明襯底)性能相當(dāng)?shù)に嚭唵纬杀镜?。紋理表面結(jié)構(gòu)對光束角特性沒有影響，不僅可取代常規(guī)的方形芯片，而且還可以很容易按比例放大應(yīng)用于功率型的大尺寸芯片，而晶片鍵合透明襯底的AlInGaP基芯片(GaP透明襯底)由于技術(shù)復(fù)雜只能應(yīng)用于3英寸的GaAs襯底。在降低生產(chǎn)成本和實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)方面，紋理表面高效取光結(jié)構(gòu)的AlInGaP基芯片(GaP透明襯底)具有廣闊的發(fā)展前景。

　　AlInGN基芯片也可通過把p-GaN表面粗化，提升出光效率，但直接粗化容易對有源層造成損傷，同時透明電極更難制備。目前通過改變外延片生長條件得到表面粗化是一個較為可行的工藝。1999年Fuji報道將AlInGaN基芯片鍵合到硅基板上，再用激光剝離法去除襯底，在n型GaN表面通過光致電化學(xué)法腐蝕形成有序的錐型形狀可以增加發(fā)光強(qiáng)度2.3倍。

　　除表面粗糙外，芯片的側(cè)面粗糙也能進(jìn)一步提升出光效率，表面粗糙的外量子效率22%，側(cè)面粗糙后可達(dá)31%。通過在ITO/NiOx上制備有規(guī)則紋理結(jié)構(gòu)(3mmx3mm)可以使芯片發(fā)光功率從6.1mW提升到7.1mW。P型GaN表面的微觀粗糙(金屬納米束沉積輔助以濕法腐蝕)可增加出光效率62%。采用表面粗糙化加背面反射膜結(jié)構(gòu)，外量子效率可達(dá)40%。

　　七：微芯片陣列

　　微芯片陣列可以增加發(fā)光效率，其原理尚不清楚。有人認(rèn)為是應(yīng)力釋放導(dǎo)致介電電場的減弱，提升了芯片的內(nèi)量子效率，也有人認(rèn)為是微芯片陣列提高了外量子效率。外量子效率的提升得益于微芯片陣列中芯片周邊面積的增加，一般微芯片直徑約10μm，芯片厚度約1μm，芯片表面積與周邊面積之比可達(dá)1：1.4，顯然芯片周邊面積提供了更多的出光表面積。微芯片陣列可以增加出光效率，倒裝后從藍(lán)寶石的出光效率可進(jìn)一步通過在藍(lán)寶石上制備微透鏡提高每一顆微芯片的出光效率，采用ICP法在藍(lán)寶石上制備與微芯片相對集成在一個器件上的微凹透鏡，與平坦藍(lán)寶石表面相比，微透鏡可增加出光強(qiáng)度約30%。

　　八：光子晶體

　　淺二維表面柵格光子晶體可避免對有源區(qū)的損傷和在光子晶體制備過程導(dǎo)入太多表面損傷，引發(fā)內(nèi)量子效率的下降，同時又能發(fā)揮光子晶體的衍射，改變光的入射角而提升出光效率1.7-2.7倍，制作過程涉及電子束光刻和刻蝕工藝制備晶格常數(shù)級大小的柵格幾何結(jié)構(gòu)。