1、引言

　　自從l991 年N ichia 公司Nakamura 等成功研制出摻Mg的同質結GaN 藍光LED 后，GaN基LED 得到了迅速發展。GaN 基LED 以其壽命長、耐沖擊、抗震、高效節能等優異特性在圖像顯示、信號指示、照明以及基礎研究等方面有著極為廣闊的應用前景[1]，將來還有可能代替白熾燈、熒光燈，實現人類照明史上的又一次革命。但目前商用白光LED 的發光效率只有25耀50 lm/W，其發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 的發光效率，可以看出近30 年來LED的發光效率提高了250 倍以上。隨著LED 的應用越來越廣泛，如何提高GaN 基LED 的發光效率越來越成為關注的焦點[2，4~6]。提高LED 發光效率的兩個基本出發點是提高其內量子效率和外量子效率。由于工藝和技術的成熟，已經可以制備內量子效率達到70%，80%的GaN 基LED。因此，通過提高內量子效率來大幅度提高LED 發光效率已沒有很大的余地[2]。半導體照明LED 關鍵技術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、不同生產年份LED的發光效率比較

　　2、提高外量子效率

　　2.1 生長分布布拉格反射層(DBR)結構

　　DBR (distributed Bragg reflector)結構早在20 世紀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構，它在有源層和襯底之間，能夠將射向襯底的光反射回表面或側面，減少襯底對光的吸收，提高出光效率。DBR結構可以直接利用金屬有機化學氣相沉積發法(MOCVD)設備進行生長，無需再次加工處理。

　　DBR 結構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，每層的光學厚度為發射波長的1/4。每層的厚度hH和hL分別為:

　　其中，l0是發射波長，θH和θL分別是每層的入射角。DBR 結構的反射率由材料的折射率和周期數p決定。當DBR 結構為2p+1 層時，其反射率為:

　　當DBR 結構為2p 層，反射率為:

　　從(4)式可以看出：周期數越多，兩種材料折射率相差越大，DBR 結構的反射率也越大。DBR結構的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藍色LED 也已見報道。一般情況下應用10~20 個周期的DBR。

　　傳統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 組合成復合結構，這樣就可以擴展反射帶，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復合DBR 的LED 器件，其出光效率較常規DBR 可以提約35豫，如配合其他優化結構，復合DBR 結構對LED 光提取效率的改善效果會更為明顯。

　　帶DBR 結構也可以直接利用醞韻悅災閱設備進行一次外延生長完成，具有很好的成本優勢，而且材料晶格常數與襯底匹配，反射率高，對器件的電學特性影響小，目前已經應用于商業生產。

　　2.2 透明襯底技術

　　除了采用DBR 結構將光反射掉，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[7]，如圖2 所示，將兩個不同性質的晶片結合到一起，并不改變原來晶體的性質。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 窗口層的三明治結構。它允許光從6 個面出射，因而提高了出射效率[7]。

　　1994 年Hewlett-Packard 公司開始生產透明(AlxGa1-x)0.5In0.5P/GaP LED，這是當時所能獲得的最高亮度的LED。據1996 年的報道[7]，636 nm 的透明LED 外量子效率可以達到23.7%;607.4 nm的透明襯底LED 的發光效率達到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發光區GaP 窗口區制備而成。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，由于芯片內除去了襯底吸收區，量子效率從4豫提升到了25%-30%。

　　2.3 襯底剝離技術

　　為了減少襯底的吸收，除了采用透明襯底技術外，還可以采用襯底剝離技術。它是利用紫外激光照射襯底，熔化緩沖層而實現襯底剝離。該技術主要由3 個關鍵工藝步驟完成: (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脈沖準分子激光器照射藍寶石底面，使藍寶石和GaN 界面的GaN產生熱分解，再通過加熱(40益)使藍寶石脫離GaN[10]。

　　這項技術首先由美國惠普公司在AlGaInP/GaAs LED 上實現，因為GaAs 襯底的吸收，使得LED 內部光損失非常大。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(LLO)將藍寶石去除，將LED 出光效率提至75 %，是傳統LED 的3 倍，目前他們已建立了第一條LLO生產線。

　　此外，德國Osram Opto 半導體公司[13]通過使用薄膜技術，發明了一種無襯底的LED 設計方法，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，然后粘合到一個分離的作為載體的薄晶片上。這種技術比傳統的LED 允許發射出更多的光。采用這種結構的615 nm 紅色LED 能夠獲得超過50 lm/W 的發光效率，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，再用激光剝離藍寶石襯底，可使散熱能力提高4 倍。Si 的熱導率比GaAs 和藍寶石都好，而且易于加工，價格便宜，是功率型芯片的首選材料。

　　2.4 倒裝芯片技術

　　AlGaInN 基LED 外延片一般是生長在藍寶石襯底上，由P/N結發光區發出的光透過上面的P型區射出，由于P 型GaN 電導率低，為滿足電流擴展的要求，需要在P 區表面形成一層Ni-Au 組成的金屬電極層。而且為了獲得好的電流擴展，Ni-Au 金屬電極層不能太薄。但器件的發光效率就會因此受到很大影響，所以通常要同時兼顧電流擴展與出光效率兩個因素。

　　采用GaN 基LED 倒裝芯片技術可以解決這個問題[14]。該技術可增大輸出功率、降低熱阻，提高器件可靠性。它從藍寶石襯底面出光，解決了電極遮光和藍寶石散熱不良的問題，在P 電極上做上厚層的銀反射器，然后通過電極凸點與基底上的凸點鍵合，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]倒裝焊技術在大功率AlInGaN 基芯片上的應用，避免了電極焊點和引線對出光效率的影響，改善了電流擴散性和散熱性，背反射膜將傳向下方的光反射回出光的藍寶石一方，進一步提升出光效率，外量子效率達到21%，功率轉換效率達到20%(200 mA，435 nm)，最大功率達到400 mW(驅動電流1 A，435 nm，芯片尺寸1 mm伊1 mm)，其總體發光效率比正裝增加1.6 倍。

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

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