LED工藝技術(shù)介紹

LED的應(yīng)用面很廣，然而芯片本身價(jià)格過高和發(fā)光效率有待提升的問題，始終困擾著LED照明技術(shù)的推廣普及。發(fā)光效率要提升，就要有效增加取出效率。而LED的發(fā)光顏色和發(fā)光效率與制作LED的材料和工藝有關(guān)，制造LED的材料不同，可以產(chǎn)生具有不同能量的光子，藉此可以控制LED所發(fā)出光的波長(zhǎng)，也就是光譜或顏色。

一、透明襯底技術(shù)

LED通常是在GaAs襯底上外延生長(zhǎng)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(zhǎng)的光從發(fā)光區(qū)與窗口表面射入GaAs襯底時(shí)，將被悉數(shù)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(zhǎng)一個(gè)布喇格反射區(qū)，能將垂直射向襯底的光反射回發(fā)光區(qū)或視窗，部分改善了器件的出光特性。一個(gè)更為有效的方法是先去除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)，使量子效率從4％提升到了25-30％。為進(jìn)一步減小電極區(qū)的吸收，有人將這種透明襯底型的InGaAlP器件制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(shù)

透明襯底工藝首先起源于美國的HP、Lumileds等公司，金屬膜反射法主要有日本、臺(tái)灣廠商進(jìn)行了大量的研究與發(fā)展。這種工藝不但迴避了透明襯底專利，而且，更利于規(guī)模生產(chǎn)。其效果可以說與透明襯底法具有異曲同工之妙。該工藝通常謂之MB工藝，首先去除GaAs襯底，然后在其表面與Si基底表面同時(shí)蒸鍍Al質(zhì)金屬膜，然后在一定的溫度與壓力下熔接在一起。如此，從發(fā)光層照射到基板的光線被Al質(zhì)金屬膜層反射至芯片表面，從而使器件的發(fā)光效率提高2.5倍以上。

三、表面微結(jié)構(gòu)技術(shù)

表面微結(jié)構(gòu)工藝是提高器件出光效率的又一個(gè)有效技術(shù)，該技術(shù)的基本要點(diǎn)是在芯片表面刻蝕大量尺寸為光波長(zhǎng)量級(jí)的小結(jié)構(gòu)，每個(gè)結(jié)構(gòu)呈截角四面體狀，如此不但擴(kuò)展了出光面積，而且改變了光在芯片表面處的折射方向，從而使透光效率明顯提高。測(cè)量指出，對(duì)于視窗層厚度為20μm的器件，出光效率可增長(zhǎng)30％。當(dāng)視窗層厚度減至10μm時(shí)，出光效率將有60％的改進(jìn)。對(duì)于585-625nm波長(zhǎng)的LED器件，制作紋理結(jié)構(gòu)后，發(fā)光效率可達(dá)30lm/w，其值已接近透明襯底器件的水準(zhǔn)。

四、倒裝芯片技術(shù)

通過MOCVD技術(shù)在蘭寶石襯底上生長(zhǎng)GaN基LED結(jié)構(gòu)層，由P/N結(jié)髮光區(qū)發(fā)出的光透過上面的P型區(qū)射出。由于P型GaN傳導(dǎo)性能不佳，為獲得良好的電流擴(kuò)展，需要通過蒸鍍技術(shù)在P區(qū)表面形成一層Ni-Au組成的金屬電極層。P區(qū)引線通過該層金屬薄膜引出。為獲得好的電流擴(kuò)展，Ni-Au金屬電極層就不能太薄。為此，器件的發(fā)光效率就會(huì)受到很大影響，通常要同時(shí)兼顧電流擴(kuò)展與出光效率二個(gè)因素。但無論在什麼情況下，金屬薄膜的存在，總會(huì)使透光性能變差。此外，引線焊點(diǎn)的存在也使器件的出光效率受到影響。采用GaN LED倒裝芯片的結(jié)構(gòu)可以從根本上消除上面的問題。

五、芯片鍵合技術(shù)

光電子器件對(duì)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(shù)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(zhì)外延生長(zhǎng)技術(shù)一般都不能形成所需要的帶寬差和折射指數(shù)差，而用通常的異質(zhì)外延技術(shù)，如在硅片上外延GaAs和InP等，不僅成本較高，而且結(jié)合介面的位元錯(cuò)密度也非常高，很難形成高品質(zhì)的光電子集成器件。由于低溫鍵合技術(shù)可以大大減少不同材料之間的熱失配問題，減少應(yīng)力和位錯(cuò)，因此能形成高品質(zhì)的器件。隨著對(duì)鍵合機(jī)理的逐漸認(rèn)識(shí)和鍵合工藝技術(shù)的逐漸成熟，多種不同材料的芯片之間已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)互相鍵合，從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層再進(jìn)行鍵合就可以形成一種新的結(jié)構(gòu)。由于硅化物的電導(dǎo)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(shù)。

六、 鐳射剝離技術(shù)（LLO）

鐳射剝離技術(shù)（LLO）是利用鐳射能量分解GaN/藍(lán)寶石介面處的GaN緩沖層，從而實(shí)現(xiàn)LED外延片從藍(lán)寶石襯底分離。技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是外延片轉(zhuǎn)移到高熱導(dǎo)率的熱沉上，能夠改善大尺寸芯片中電流擴(kuò)展。n面為出光面：發(fā)光面積增大，電極擋光小，便于制備微結(jié)構(gòu)，并且減少刻蝕、磨片、劃片。更重要的是藍(lán)寶石襯底可以重復(fù)運(yùn)用。