LED芯片的新技术优化

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：采用GaN LED倒装芯片的结构可以从根本上消除上述问题。图1-19 LED倒装芯片的结构示意图5.芯片键合技术光电子器件对所需要的材料在性能上有一定的要求，通常都需要有大的带宽差和在材料的折射指数上要有很大的变化。

1.透明衬底技术

InGaAlP LED通常是在GaAs衬底上外延生长InGaAlP发光区GaP窗口区制备而成。与InGaAlP相比，GaAs材料具有小得多的禁带宽度，因此，当短波长的光从发光区与窗口表面射入GaAs衬底时，将被悉数吸收，成为器件出光效率不高的主要原因。在衬底与限制层之间生长一个布拉格反射区，能将垂直射向衬底的光反射回发光区或窗口，部分改善了器件的出光特性。一个更为有效的方法是先去除GaAs衬底，代之于全透明的GaP晶体。由于芯片内除去了衬底吸收区，使量子效率从4%提升到了25%～30%。为进一步减小电极区的吸收，将这种透明衬底型的InGaAlP器件制作成截角倒锥体的外形，使量子效率有了更大的提高。

2.金属膜反射技术

透明衬底技术首先起源于美国的HP、Lumileds等公司，金属膜反射法主要由日本、中国台湾地区的厂商进行了大量的研究与发展。这种技术不但回避了透明衬底专利，而且更利于规模生产。其效果可以说与透明衬底法具有异曲同工之妙。该技术通常称为MB制程，首先去除GaAs衬底，然后在其表面与Si基底表面同时蒸镀Al质金属膜，然后在一定的温度与压力下熔接在一起。从发光层照射到基板的光线被Al质金属膜层反射至芯片表面，从而使器件的发光效率提高2.5倍以上。

3.表面微结构技术

表面微结构技术是提高器件发光效率的又一个有效技术，该技术的基本要点是在芯片表面刻蚀大量尺寸为光波长量级的纹理结构，每个结构呈截角四面体状，这样不但扩展了出光面积，而且改变了光在芯片表面处的折射方向，从而使透光效率明显提高。

4.倒装芯片技术

通过MOCVD技术在蓝宝石衬底上生长GaN基LED结构层，由P/N结发光区发出的光透过上面的P区射出。由于P型GaN传导性能不佳，为获得良好的电流扩展，需要通过蒸镀技术在P区表面形成一层Ni-Au组成的金属电极层。P区引线通过该层金属薄膜引出。为获得好的电流扩展，Ni-Au金属电极层又不能太薄，使得器件的发光效率会受到很大影响，通常要同时兼顾电流扩展与出光效率两个因素。但无论在什么情况下，金属薄膜的存在，总会使透光性能变差。同时，引线焊点的存在也使器件的出光效率受到影响。采用GaN LED倒装芯片的结构可以从根本上消除上述问题。

如图1-19所示，美国Lumileds公司率先采用了LED倒装芯片技术，避免了电极焊点和引线对出光效率的影响，改善了电流扩散性和散热性，有效提升了出光效率，外量子效率达21%，功率转换效率达20%（435nm，200mA），最大功率达400mW（芯片尺寸为1mm×1mm，发光波长为435nm，驱动电流为1A），器件的总发光效率比正装结构增加1.6倍。

图1-19 LED倒装芯片的结构示意图

5.芯片键合技术

光电子器件对所需要的材料在性能上有一定的要求，通常都需要有大的带宽差和在材料的折射指数上要有很大的变化。用同质外延生长技术一般都不能形成所需要的带宽差和折射指数差，而用通常的异质外延技术，如在硅片上外延GaAs和InP等，不仅成本较高，而且结合接口的位错密度也非常高，很难形成高质量的光电子集成器件。由于低温键合技术可以大大减少不同材料之间的热失配问题，减少应力和位错，因此能形成高质量的器件。随着对键合机理的逐渐认识和键合制程技术的逐渐成熟，多种不同材料的芯片之间已经能够实现互相键合，从而可能形成一些特殊用途的材料和器件。如在硅片上形成硅化物层再进行键合就可以形成一种新的结构。由于硅化物的电导率很高，因此可以代替双极型器件中的隐埋层，从而减小RC常数。

6.激光剥离技术

激光剥离技术（LLO）是利用激光能量分解GaN/蓝宝石接口处的GaN缓冲层，从而实现LED外延片从蓝宝石衬底分离。技术优点是外延片转移到高热导率的热沉上，能够改善大尺寸芯片中电流扩展。N面为出光面，发光面积增大，电极挡光小，便于制备微结构，并且减少刻蚀、磨片、划片，更重要的是蓝宝石衬底可以重复运用。

LED芯片的新技术优化

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