前言
最近幾年發(fā)光二極管(LED)的發(fā)光效率獲得大幅改善，由于發(fā)光二極管具備低消費(fèi)電力與長壽命特征，一般認(rèn)為未來發(fā)光二極管可望成為次世代省能源照明光源。長久以來發(fā)光二極管的發(fā)展動(dòng)向一直備受全球高度期待，特別是使用高發(fā)光效率InGaN系發(fā)光層的藍(lán)光，以及使用綠光高輸出LED，與4 元系A(chǔ)lGaInP發(fā)光層的黃光、橙光、紅光的高輝度LED，頓時(shí)成為全球注目的焦點(diǎn)。
目前這些發(fā)光效率超越傳統(tǒng)熒光燈、白熱燈泡的LED已經(jīng)陸續(xù)商品化，同時(shí)還持續(xù)拓展市場(chǎng)規(guī)模與應(yīng)用領(lǐng)域。接著本文要深入探討廣泛應(yīng)用在各種領(lǐng)域的4元系A(chǔ)lGaInP紅光LED芯片，高輝度技術(shù)與制作方法。
芯片特征
LED芯片屬于具備發(fā)光功能的二極管，它的外形尺寸大約只有0.2~1mm呈長方形。如圖1(b)所示商品化LED是將LED芯片固定在封裝基板與導(dǎo)線架上，鋪設(shè)金線后再以透明樹脂密封包覆。LED依照用途封裝成炮彈型、正面、側(cè)面出光表面型，以及考慮散熱性的大電力用燈泡型等各種形狀。
LED芯片本身也有許多種類，依照封裝組立方式的不同，LED芯片的結(jié)構(gòu)也截然不同。此外LED芯片的尺寸必需根據(jù)使用電力選擇。圖1(a)是銅凸塊(Bump)方式，使用覆晶(Flip Chip Type)LED的斷面結(jié)構(gòu)圖。LED的特性取決于LED芯片的發(fā)光性能、封裝后的取光效率、集光技術(shù)，因此芯片的高輝度化、封裝的高性能化、芯片與封裝的組合優(yōu)化設(shè)計(jì)都非常重要。
化合物半導(dǎo)體與發(fā)光波長
圖2是LED發(fā)光層材質(zhì)與發(fā)光波長的關(guān)系，如圖所示高輝度LED使用的InGaN系(紫外線~綠光)、AlGaInP系(黃綠光~紅光)、AlGaAs系(紅光~紅外線)材料，都是高發(fā)光效率化合物半導(dǎo)體結(jié)晶，這些半導(dǎo)體材料依照發(fā)光層的結(jié)晶組成，決定LED的發(fā)光波長。
圖3是從結(jié)晶基板一直到LED芯片的制作流程，如圖所示GaP多結(jié)晶使高純度鎵(Ga)與磷(P)原料，在高溫、高壓環(huán)境下反應(yīng)形成GaP多結(jié)晶，接著將此高純度多結(jié)晶的原料，在高溫、高壓環(huán)境下溶解，與種晶接觸的同時(shí)一邊旋轉(zhuǎn)固化形成圓筒狀GaP單結(jié)晶錠(Ingot)，最后經(jīng)過裁切、定厚加工、研磨加工，制成單結(jié)晶鏡面晶圓，一般LED用基板也是使用GaAs單結(jié)晶基板。
高輝度AlGaInP芯片的制作，分別使用GaAs長晶基板與GaP與黏貼用透明基板，由于這些基板的載子濃度、轉(zhuǎn)位密度、表面粗糙度，都會(huì)影響LED芯片的特性，因此必需作精密控制。接著在單結(jié)晶基板表面制作具備發(fā)光特性的單結(jié)晶多層膜，此制程又稱作「磊晶(Epitaxial)」的單結(jié)晶長晶制程，會(huì)決定LED芯片的發(fā)光效率、發(fā)光波長、電氣特性，因此必需透過已經(jīng)長晶的化合物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)、結(jié)晶組成、載子濃度、膜厚的多層膜結(jié)構(gòu)控制，形成具備發(fā)光功能的磊晶晶圓。磊晶的制作方法分成：厚膜法、適合量產(chǎn)的液相法、AlGaInP常用的薄膜法、適合制作多層膜的金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法(Metal Organic Chemical-Vapor Deposition; MOCVD)等等。
組件化(芯片化)制程主要是在磊晶晶圓上，制作n型與p型奧姆電極，最后再將已經(jīng)制作奧姆電極的晶圓，裁切成0.3×0.3mm一定大小，制成晶粒狀LED芯片，此時(shí)為提高LED的輝度，組件化制程會(huì)采用各種獨(dú)自開發(fā)的技術(shù)制作。
AlGaInP LED芯片的高輝度化
LED芯片的發(fā)光效率取決于發(fā)光層的光線取出效率，為提高內(nèi)部量子效率，發(fā)光層的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量?jī)?yōu)化、發(fā)光層的均勻電流供給、防止發(fā)光層的溫度上升，等細(xì)部設(shè)計(jì)非常重要，這意味著光線取出效率的提升，降低芯片內(nèi)部光吸收、反射的光學(xué)設(shè)計(jì)與制作技術(shù)，成為關(guān)鍵性要因。接著依序介紹：(a)內(nèi)部量子效率；(b)電流擴(kuò)散；(c)發(fā)光層的溫升等可以提升AlGaInP LED芯片的發(fā)光效率的技術(shù)動(dòng)向。
內(nèi)部量子效率
提高內(nèi)部量子效率，磊晶制程制成的發(fā)光層結(jié)構(gòu)與結(jié)晶質(zhì)量的控制非常重要。高輝度LED芯片的發(fā)光層結(jié)構(gòu)， 大多利用相異半導(dǎo)體材料構(gòu)成的異質(zhì)(Hetero)接合，亦即利用半導(dǎo)體材料的能隙(Bandgap)差異提高發(fā)光效率。一般認(rèn)定發(fā)光層薄膜、多層化的量子井結(jié)構(gòu)， 與多重量子井結(jié)構(gòu)(MQW: Multi Quantem Well)的發(fā)光效率最高。
為提高發(fā)光效率，要求可以精密控制經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜多膜層長晶技術(shù)，雖然提高發(fā)光層的結(jié)晶質(zhì)量，涉及量子井效率提升，不過基本上可以降低發(fā)光層不純物與結(jié)晶缺陷技術(shù)，以及異質(zhì)接合界面等高度磊晶制作技術(shù)，一直是研究的焦點(diǎn)。
電流擴(kuò)散
所謂電流擴(kuò)散是指透過發(fā)光層結(jié)構(gòu)與電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使電流擴(kuò)散到芯片整體，藉此提供給發(fā)光層提高發(fā)光效率的技術(shù)。特別是AlGaInP LED芯片的磊晶層厚度很薄，從電極一直到發(fā)光層的厚度方向距離低于10μm，芯片的一邊卻是200μm以上電流不易擴(kuò)散的形狀，因此設(shè)計(jì)上必需考慮電極的布局、磊晶層的電氣特性，才能促進(jìn)電流擴(kuò)散。
發(fā)光層的溫升
LED芯片使用的半導(dǎo)體材料，如果溫度上升發(fā)光效率會(huì)下降。圖4是一般發(fā)光二極管的施加電流與輝度的關(guān)系，由圖可知實(shí)際LED芯片若與理想特性比較，高電流領(lǐng)域的輝度明顯降低，主要原因施加電力會(huì)造成發(fā)光層的溫度上升，內(nèi)部量子效率則明顯降低。
降低發(fā)熱量的最有效方法就是抑制施加電力，亦即減少LED芯片的順向電壓VF。如圖1(a)所示覆晶結(jié)構(gòu)是提高散熱性，是抑制發(fā)光層的溫度上升方法之一，基本上它是使發(fā)光層產(chǎn)生的高熱從封裝基板側(cè)散熱，由于LED芯片內(nèi)部的發(fā)熱，幾乎都是發(fā)光層產(chǎn)生，因此散熱特性取決于發(fā)光層到封裝基板的熱傳導(dǎo)率。AlGaInP覆晶芯片則是將芯片翻轉(zhuǎn)使用，它可以使發(fā)光層到封裝基板的距離縮短至10μm以下，而且還能夠以高熱傳導(dǎo)率金屬連接于大面積封裝基板，形成高散熱性LED結(jié)構(gòu)。
AlGaInP LED芯片的高取光效率技術(shù)
最近幾年AlGaInP LED芯片的內(nèi)部量子效率，隨著設(shè)計(jì)、加工技術(shù)的改良，已經(jīng)達(dá)到實(shí)用化水平，特別是將光線從LED片內(nèi)部取至外部的取光技術(shù)，更是突飛猛進(jìn)。由于LED的取光技術(shù)涉及芯片本身的光吸收與內(nèi)部反射特性，因此接著要依序介紹：(a)光吸收；(b)內(nèi)部反射等影響AlGaInP LED芯片的取光效率的技術(shù)動(dòng)向。
光吸收
圖5是AlGaInP LED芯片的斷面結(jié)構(gòu)。AlGaInP是在格子整合的GaAs單結(jié)晶基板表面，利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)制作磊晶。由于GaAs基板對(duì)可視光呈不透明狀，因此一般泛用AlGaInP LED芯片的斷面結(jié)構(gòu)，如圖5(a)所示，朝發(fā)光層下方的光線會(huì)被GaAs基板吸收。
圖5(b)是利用黏貼GaP等透明基板，去除GaAs不透明基板，制作高輝度LED芯片的模型圖，由于這種結(jié)構(gòu)使用透明基板，因此芯片內(nèi)部的光吸收大幅降低，可以從芯片上方、側(cè)面有效取出光線。圖5(c)是在基板與發(fā)光層之間設(shè)置高反射率反射鏡(Mirror)，這種結(jié)構(gòu)幾乎所有發(fā)光都從芯片上方取出，非常適合軸上輝度，亦即芯片上方光量的高輝度化要求。
利用以上技術(shù)降低光吸收的高輝度LED芯片，相較于傳統(tǒng)泛用LED芯片，它可以實(shí)現(xiàn)3倍以上的高輝度化。
內(nèi)部反射
芯片內(nèi)部的光線反射特性，根據(jù)光學(xué)領(lǐng)域有名的“Snell法則”可知，如果滿足折射率相異界面發(fā)生的全反射條件時(shí)，光線會(huì)在芯片內(nèi)部反射無法取至外部。
AlGaInP LED系化合物半導(dǎo)體的折射率為3.5，密封LED芯片的環(huán)氧樹脂與硅樹脂的折射率為1.4~1.5，換句話說樹脂與芯片界面，大約有2倍左右的折射率差，因此在界面會(huì)發(fā)生內(nèi)部反射。將光線從芯片取至外部時(shí)，光線的入射角幾乎與界面呈垂直狀，為防止內(nèi)部反射，光學(xué)設(shè)計(jì)必需作界面附近的光線的入射角控制。具體方法例如將芯片形狀加工成具備多面體形狀，或是將芯片表面制成凹凸?fàn)睿确乐箖?nèi)部反射的改善技術(shù)。然而這些改善技術(shù)對(duì)外形尺寸低于1mm的LED芯片，加工上技術(shù)困難度卻非常高。
AlGaInP LED芯片的高輝度化技術(shù)重點(diǎn)共有3項(xiàng)，分別如下：提高發(fā)光層的內(nèi)部量子效率、提高從從芯片內(nèi)部取至外部的效率、高效率提供發(fā)光層電流的技術(shù)。
圖6是AlGaInP紅光LED的高輝度化技術(shù)動(dòng)向，如圖所示LED基板從傳統(tǒng)光線吸收基板進(jìn)化到透明基板，加上業(yè)者已經(jīng)針對(duì)LED基板，進(jìn)行上述三大技術(shù)改善，其結(jié)果使得LED的輝度3年大約提高2倍，08年全球最高發(fā)光效率80lm/W的AlGaInP LED也因而正式商品化。上述高輝度AlGaInP LED的輝度是傳統(tǒng)使用吸收基板AlGaInP系LED的10倍，今后可望在液晶背光照明模塊車燈、照明、信號(hào)燈、植物培育等領(lǐng)域拓展市場(chǎng)規(guī)模。
結(jié)語
以上介紹4元系A(chǔ)lGaInP紅光LED芯片高輝度技術(shù)與制作方法。發(fā)光二極管具備低消費(fèi)電力與長壽命特征，長久以來它的發(fā)展動(dòng)向一直備受全球高度期待，一般認(rèn)為未來發(fā)光二極管可望成為次世代省能源照明光源。96年日亞化學(xué)的中村教授開發(fā)藍(lán)光LED芯片，白光要求的R、G、B三種光源總算全步到齊，從此揭開白光半導(dǎo)體發(fā)光組件新紀(jì)元。