最近幾年發(fā)光二極管的發(fā)光效率提升，加上藍(lán)光與綠光發(fā)光二極管的實(shí)用化，如圖1所示，發(fā)光二極管已經(jīng)成為交通號(hào)志燈、汽車尾部組合燈(Rear combination lamp)、液晶顯示器用背光照明模塊，各種顯示與照明的主要光源，持續(xù)拓展應(yīng)用范圍。
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接著本文要介紹可以減低發(fā)光二極管基板的光損失，設(shè)有金屬反射膜層、高輝度、發(fā)光效率是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的4倍、48 lm/W的AlGaInP 4元紅光發(fā)光二極管的發(fā)光效率提升手法，以及金屬反射膜發(fā)光二極管(MR-LED)的電氣光學(xué)等各種特性。
發(fā)展歷程
傳統(tǒng)紅光發(fā)光二極管用半導(dǎo)體晶圓，除了AlGaAs磊晶硅晶圓 (Epitaxial wafer) 之外，AlGaInP磊晶硅晶圓已經(jīng)商品化。
若在AlGaInP磊晶硅晶圓表面，制作電極再切割成晶粒狀(Die)，就可以制成發(fā)光二極管芯片，不過傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管受到底部基板的影響，光吸收損失非常大，一般認(rèn)為12 lm/W得發(fā)光效率是紅光發(fā)光二極管的最大極限。
有鑒于此研究人員在發(fā)光二極管組件內(nèi)部設(shè)置金屬反射膜(MR: Metal Reflector)，開發(fā)全新結(jié)構(gòu)的紅光發(fā)光二極管，達(dá)成發(fā)光效率48 lm/W，比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高4倍的高效率化宿愿。
金屬反射膜LED的發(fā)光效率提升手法
如圖2(a)所示傳統(tǒng)發(fā)光二極管光源，利用注入半導(dǎo)體固態(tài)組件發(fā)光材料(發(fā)光層)的電子與正孔再結(jié)合獲得的能量產(chǎn)生光線，該電氣光線轉(zhuǎn)換效率，以低缺陷AlGaInP結(jié)晶而言，大約可以達(dá)成70%以上的效率，材料上的特性提升可算是相當(dāng)充分。
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如圖2(a)所示，芯片產(chǎn)生的光線會(huì)在半導(dǎo)體內(nèi)部傳遞，接著透過發(fā)光二極管組件表面取至組件外部領(lǐng)域，該取光效率單純的紅光發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，大約只有10%左右，為有效提高紅光發(fā)光二極管的發(fā)光效率，必需透過發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制程改善，提升表面穿透率與接口反射率。
紅光發(fā)光二極管是在GaAs單結(jié)晶基板上，使用格子整合3元混晶AlGaAs或是AlGaInP4元混晶發(fā)光層，將GaAs單結(jié)晶基板當(dāng)作發(fā)光組件，底部支撐基板使用的發(fā)光二極管。由于GaAs具備吸收紅光物性，因此又稱作受質(zhì)基板型(AS Type: Absorbing Substrate Type)。
如圖3(a)所示當(dāng)初開發(fā)受質(zhì)基板 (AS Type) 時(shí)，在GaAs基板上方制作發(fā)光層，由于該結(jié)構(gòu)的組件表面，反射的光線與朝基板側(cè)的光線全部被基板吸收，因此只能達(dá)成8 lm/W低電氣光線轉(zhuǎn)換效率。
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雖然受質(zhì)基板的開發(fā)，主要目的是提升發(fā)光效率，如圖3(b)所示，受質(zhì)基板型基本上屬于半導(dǎo)體多層反射膜(DBR: Distributed Bragg Reflector)插入型，該結(jié)構(gòu)利用半導(dǎo)體多層反射膜，使朝基板側(cè)的光線反射，達(dá)成12 lm/W的電氣光線轉(zhuǎn)換效率。
然而半導(dǎo)體多層反射膜 (DBR)，具有斜方向光線不易反射的結(jié)構(gòu)性缺陷，因此朝各方向放射的發(fā)光二極管光線，不會(huì)朝基板側(cè)傳遞，結(jié)構(gòu)上受到很大的限制。
為提高紅光發(fā)光二極管的發(fā)光效率，研究人員深入檢討可以使斜向入射至基板的光線完全反射的結(jié)構(gòu)，開發(fā)圖3(c)所示，使用金屬薄膜的反射結(jié)構(gòu)除了垂直方向之外，對(duì)斜向入射的光線，同樣具備高反射特性的金屬反射膜發(fā)光二極管 (MR-LED)。
金屬反射膜發(fā)光二極管 (MR-LED)，不易同時(shí)具備發(fā)光層、金屬反射膜反射率與低電氣阻抗特性，而且無法在金屬反射膜上制作低缺陷的發(fā)光層，因此研究人員針對(duì)同時(shí)具備反射率與低電氣阻抗問題，透過組件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)策，發(fā)光層的缺陷問題則透過基板貼換技術(shù)，使用與GaAs單結(jié)晶基板上結(jié)晶同等級(jí)的低缺陷AlGaInP發(fā)光層。
基板貼換技術(shù)如如圖4所示，(1)首先準(zhǔn)備低缺陷AlGaInP磊晶硅晶圓，(2)接著將發(fā)光層黏貼至底部支撐基板，(3)最后從已經(jīng)貼合的晶圓去除GaAs基板，就可以在底部支撐基板上面形成具備發(fā)光層的結(jié)構(gòu)。
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初期特性
有關(guān)金屬反射膜型發(fā)光二極管(MR Type LED)與受質(zhì)基板型發(fā)光二極管(AS Type LED)的特性，兩芯片的外形都是300×300μm角柱形。
圖5是這兩種發(fā)光二極管實(shí)際發(fā)光的照片，由照片可知，金屬反射膜型發(fā)光二極管的發(fā)光比受質(zhì)基板型發(fā)光二極管亮。
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如表1的金屬反射膜型發(fā)光二極管(MR Type LED)與受質(zhì)基板型發(fā)光二極管(AS Type LED)初期特性比較一覽所示，順向電流20mA通電時(shí)的光束為1.92 lm,可以實(shí)現(xiàn)48 lm/W的發(fā)光效率，金屬反射膜型發(fā)光二極管(MR Type)比受質(zhì)基板型發(fā)光二極管(AS Type)，發(fā)光效率提高4倍以上。
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圖6是上述兩種紅光LED的順向電流-光束特性，由圖可知，光線強(qiáng)度亦即光束對(duì)電流呈直線增加，即使受到發(fā)熱的影響，光輸出并未降低。
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圖7是上述兩種紅光LED的順向電流-順向電壓特性，由圖可知，雖然金屬反射膜型發(fā)光二極管(MR Type)的順向電壓比受質(zhì)基板型發(fā)光二極管 (AS Type)高，不過卻可以達(dá)成實(shí)用上要求的2.2V以下順向電壓(IF=20mA)，證實(shí)即使是金屬反射膜結(jié)構(gòu)，串聯(lián)阻抗同樣可以被充分削減。
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晶圓面內(nèi)的分布
發(fā)光二極管當(dāng)作顯示用途并排使用的場合，如果光強(qiáng)度有分布不均，會(huì)引發(fā)輝度不均。
此外定電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)要求相同的順向電壓，因此研究人員調(diào)查3英寸金屬反射膜型發(fā)光二極管 (MR Type)晶圓的光束，與順向電壓的面內(nèi)分布特性。
光束的面內(nèi)分布特性如圖8所示，面內(nèi)平均為1.86 lm(σ=0.05 lm)，面內(nèi)分布在±10%范圍內(nèi)，證實(shí)新型紅光發(fā)光二極管，可以實(shí)現(xiàn)高輸出、高均勻性的要求。
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順向電壓的分布圖9所示，面內(nèi)平均為1.98 lm(σ=0.02V)，面內(nèi)分布在±5%范圍內(nèi)，證實(shí)新型紅光發(fā)光二極管，同樣可以實(shí)現(xiàn)低電壓、高均勻性的要求。
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根據(jù)上述面內(nèi)分布特性，與受質(zhì)基板型發(fā)光二極管 (AS Type) 的晶圓分布幾乎完全相同，證實(shí)分布特性不會(huì)受到金屬反射膜結(jié)構(gòu)的制程影響大幅改變。
續(xù)通電特性
金屬反射膜型發(fā)光二極管 (MR Type) 若與受質(zhì)基板型發(fā)光二極管 (AS Type) 比較，制作基板貼換等金屬反射膜結(jié)構(gòu)時(shí)，容易受到熱與壓力造成的負(fù)載，對(duì)組件的可靠性可能產(chǎn)生不良影響，必需進(jìn)行可靠性試驗(yàn)才能夠確認(rèn)。
圖10是以IF=50mA,進(jìn)行一周室溫連續(xù)通電特性變化試驗(yàn)的光束、順向電壓、逆向電壓測試結(jié)果。
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根據(jù)測試結(jié)果可知上述2種新型紅光發(fā)光二極管特性完全沒有改變，證實(shí)即使制作金屬反射膜型結(jié)構(gòu)，同樣可以獲得充分的可靠性。
結(jié)語
超高發(fā)光效率的發(fā)光二極管，可以應(yīng)用在戶外混色很鮮明的辨識(shí)用途，例如戶外大型顯示器要求鮮艷顯示、或是汽車尾組合燈等等。