一引言

LED市場，由于受LED可替代白熾燈和熒光燈，廣泛用于液晶電視背光源潛力的驅動，近年來正在爆炸式地增長。LED的商業成功依賴于各個方面，如單晶生長、芯片工藝、以及封裝測試等的持續改善。

LED 的效率是給定電氣輸入條件下，對LED最終光輸出的度量且由內量子效率、光提取效率、電學效率和封裝效率四個因子所決定。內量子效率是對給定的電子-空穴對產生可形成多少光子的度量，主要由外延層質量。光提取效率定義了形成的光子可逸離LED器件的多少，取決于LED芯片和封裝的結構。

二提高效率的傳統方法

由于半導體介質的折射率較高，故LED芯片的光提取效率固有地低。產生的光大多數在半導體和空氣的交界面發生內部反射，能提取并進入空氣的光只有一小部分。曾經提出過好多通過增強光提取效率來提高LED效率的主意。LED業界采用的兩種主要方法是隨機紋理和成形藍寶石襯底（PSS）技術。

考慮哪種光提取策略對芯片實際設計最好非常重要。根據是否采用藍寶石襯底以及芯片封裝中的連線方法，LED 芯片可分為四種不同類別（圖 1）。

在傳統芯片結構（圖1.a）中，P型氮化鎵層以及P和N型電極均位于位于頂面，電極通過引線鍵合與封裝連接。倒裝芯片LED（圖1.b）， 藍寶石襯底面朝上，電極利用倒芯片鍵合法鍵合于附屬鑲架上。

移除藍寶石襯底和使用傳導支架有許多有利于光提取和散熱的優點。通常使用激光剝離技術移除外延層上的藍寶石襯底以形成薄膜型LED。

在縱向薄膜型LED（圖1.c）中，N型電極位于頂端，支撐導體則作為P型電極。按電流傳播的概念言，電流的垂直流向是這種結構的另一個優點。

沒有通過倒芯片鍵合法鍵合于藍寶石襯底上的LED芯片稱為薄膜倒裝芯片LED（圖1.d），此時，N型和P型電極，如同傳統倒裝芯片LED一樣，都在同一側。

在傳統型芯片（圖1a）中，頂部隨機紋理化的P型氮化鎵層系一種工業范疇內提高光提取的方法。紋理通常在采用MOCVD進行原位外延生長過程中形成。這是一種有效節約成本，毋需額外紋理處理步驟的方法。不過，隨著襯底尺寸增加，總產量和一致性的損失都可能成為問題。

在倒裝芯片和薄膜LED 中，為增加光提取，面朝上的N型氮化鎵層應該粗糙或作成形處理。通常采用濕法刻蝕技術對N型氮化鎵層表面紋理化。多數主流的高亮度LED制造廠都采用這種技術，而含紋理化N型氮化鎵層的薄膜倒裝芯片LED為已知具有最高超過80%光提取的器件。

成形藍寶石襯底（PSS）技術是另一種除結合隨機紋理化制作LED廣泛采用的技術。該技術的設想是采用在微米級成形的藍寶石襯底上生長氮化鎵外延層來替代在平坦襯底上生長。預計這有兩個好處。首先，由于成形藍寶石襯底（PSS）上生長的外延層的線型位錯密度較，增加了內量子效率。其二是由于外延-藍寶石界面已經成形的圖案能起散射中心和折射基點的作用，故內部總反射減少，從而的光提取效率增大。

三藍寶石襯底的納米級成形

有幾種采用納米級成形技術提高LED效率的新方法。第一，納米成形化藍寶石襯底（NPSS），可以認為是傳統微米級PSS的延伸。但NPSS需要更高分辨率的光刻技術，與PSS相比將有明顯優勢。盡管，目前尚不知有哪家LED制造廠商生產中使用了NPSS，不過現有的幾篇呈示有望成果的論文表明 NPSS的效率比微米級 PSS 約可高10-20%。一些研究論文表明，NPSS發光至少會高出10-20％。

從制造工藝的角度看，NPSS的優勢可能不僅僅在于提高了效率。與微米級PSS相比，它結構更小，故藍寶石蝕刻的時間便可縮短。考慮外延生長，NPSS達到平面外延層所需的時間也較短。另外一個重要的設想是NPSS結合激光剝離工藝，這樣僅僅利用局部剝離（LLO ）工藝就可在縱向或者薄膜LED上產生紋理而毋需進一步光刻和蝕刻工藝步驟了。此外， NPSS上生長的外延層可能有更好的外延層質量，添加了進一步提高效率的潛力。

四光子晶體技術

光子晶體的技術，作為光提取技術最終的選擇項目，被研究的時期已經很長。光子晶體的計劃是使用尺度可與光波長比擬的周期或準周期結構作衍射光柵，將光導模式轉換為泄漏模式，以造成光輸出增加的結果。

盡管學術界和產業界竭力作過廣泛的研發，光子晶體方法雖仍未被LED產業普遍接受，卻已取得了各種成果，視LED芯片設計，采用的光子晶體，封裝方法等不同方面而有異。某些情況下，結果優于傳統隨機粗化刻蝕，也有不如的。最近飛利浦Lumileds公司在自然光子學雜志上發表的報告稱光子晶體的光提取效率比未包封極薄（？700nm）隨機粗化氮化鎵層更高。

光子晶體（ PC ）技術很可能對無包封和磷的LED 芯片有裨益。但白光LED由于使用含磷的包封，采用該技術的優勢似乎并不存在。這是因為包封中的磷使光的方向變得不規則化，PC的優值消失之故。

考慮到這一點，看來只有當封裝后的LED 芯片直接向空中發光時，PC的全部優勢才可能被利用。采用PC也許還另有一些，如在篩選、成品率或量產方面的優勢可以補償其比隨機粗化高的工藝成本。

如今，已有一些LED生產商使用PC技術來增強光輸出。 Luminus Devices 公司已在其各種投影儀和電視背光源使用的大面積、大功率LED 制造中采用了PC技術，PC結構系采用納米光刻（NI L：nanoimprint lithography）制作。

五外延側向過生長

外延側向過生長（ELO：Epitaxial lateral overgrowth）并非一種嶄新技術，在藍色激光二極管生產中已經應用。該技術主要是在氮化鎵層中嵌入成形的介質（SiO2 or SiNx）。線型位錯（TD：Threading Dislocation）受嵌入的介質阻擋，不能在介質層上方生長。氮化鎵外延層則只能通過介質上開啟的區域生長，然后側向并接。結果TD密度顯著減少。ELO 技術由于成本明顯偏高，并非LED 生產選用的技術，但因為能解決LED 的許多諸如效率降落，非極性氮化鎵以及硅襯底上生長的問題，逐漸又得到了重視。

最近，有關ELO的LED研究對納米成形介質的作用進行了考察。一個重要的觀點是納米成形介質可起嵌入光子晶體作用，具有比微米成形介質更好的光提取可能性。實際上，微米成形介質對光提取并非有利。已有關于納米 ELO可喜成果的報告，但ELO技術在LED產業基于2英寸藍寶石襯底的量產成本相當高，故能否廣泛應用尚未可知。不過隨著未來LED生產向更大尺寸（4英寸或6英寸）晶片轉移將會打開使用該技術增加LED效率的可能。

六表面等離子

表面等離子（SP：Surface plasmon）是金屬表面電子振蕩聚合的量子。在納米尺度或納米成形的金屬中，其效應大大增強。SP是納米光子學領域的熱門研究課題之一，該技術已商業地用于生物傳感且處于光子集成電路研究的心臟。一些研究也已表明SP技術能增強太陽能電池的轉換效率。有些研究組還證實了采用SP技術后LED 效率的增加。可以認為表面等離子能直接與量子阱（LED 芯片內的光發射區域）中的電子-空穴對發生相互作用以增強輻射復合率。但實際的問題是金屬層與量子阱區的距離必須小于100納米。當金屬層位于LED 頂部時，上述限制意味著P型氮化鎵層應非常薄，由此將造成電流的展延困難。

七納米壓印光刻

納米壓印光刻（NIL：Nano imprint lithography）技術應用于LED，擁有許多優勢。已經證明LED制造采用的襯底納米成形，由于波紋和缺陷的存在，實乃一種挑戰。光刻因這些不規則將有遭失去聚焦之虞，電子束光刻則過于緩慢和昂貴，采用硬模的傳統NIL也由于上述缺陷的存在而失效。

Obducat為LED納米成形研發的印壓工藝以兩個工藝步驟為基礎：首先，在專用的軟聚合物薄膜上復制形成中間聚合物模版（IPS：Intermediate Polymer Stamp）。然后在第二工藝步驟中，結合專用的熱和紫外光并用印壓技術，此IPS可用于目標襯底上的圖形復制。IPS專利技術能實行污染控制，利用避免印模和襯底的接觸增加主模的使用壽命，因此對與NIL相關的整體成本影響極大，使解決方案具有非常的成本效益。

還有一種obducat技術是利用壓縮空氣將壓力施加給印模和襯底，從而確保整個印壓區域壓力均勻的軟壓。它使印模和襯底互相一致，消除掉因印模和襯底厚度變化，彎曲或起伏等造成的不利影響。軟壓可在大面積上保留薄而均勻的殘留層，這對高分辨率印壓和圖形傳輸的保真度極為關鍵。

基于LED 產業對納米成形的需求，Obducat 研發了利用上述三種技術，每小時加工30片晶圓的大型Sindre NIL加工機（圖2）。

圖3所示為Sindre 400系統加工的成形氮化鎵顯微照片。

八結論

納米成形技術有多種可進一步增強LED器件效率的潛力。對芯片表面光子晶體（PC）的研究雖已有多年，然而與隨機紋理工藝相比，至今仍非克服工藝高成本的好方法。PC的概念也許與納米成形藍寶石襯底（NPSS）和側向外延生長（ELO）結合才能存在。而NPSS因是現有技術的自然擴展，故具有最大商業成功的潛力且一些有希望的成果業已得到很多研究組的證實。純粹從與微米級PSS工藝比較的角度看，還可期待NPSS有更多優勢。由于NPSS成本上有效和優秀的工藝性能，在LED 產業向高效納米成形LED領域發展的過程中，納米印壓光刻必將起到關鍵作用。