提高发光二极管光提效率的可能与实践

沈光地 北京光电子技术实验室主任　　沈光地教授，1939年出生，湖南长沙人。毕业于北京大学半导体物理专业，在中国科学院半导体研究所获得硕士学位，1985-1992年在瑞典林雪平大学进行科研工作，被瑞典皇家物理学院奖励并授予博士学位。　　半导体固态照明采用发光二极管（LED，light emitting diode），不仅可以节约能源、减少污染、还具有体积小、寿命长、控制灵活方便等优点。目前，限制LED性能提高的主要原因是光提效率不高，导致亮度不高，发热严重，严重影响了以LED芯片为核心的半导体照明的普及。本文就LED器件中光提取效率提高途径问题，介绍了技术研究与工业生产中通常采用的转移衬底结构、电流分布与电流扩展结构、芯片形状几何化结构、表面微结构等几种常见的光提取效率提高技术，分析了这些技术的理论原理和应用现状，并指出LED作为绿色照明的新一代光源，尚存在巨大的开发潜力。　　这些年来，随着半导体照明的不断深入发展，LED以其高电光转换效率和绿色环保的优势受到越来越广泛的关注。半导体照明产品中的核心组成部分——LED芯片，其研究与生产技术有了飞速的发展，芯片亮度和可靠性不断提高。在LED芯片的研发和生产过程中，器件外量子效率的提高一直是核心内容，因此，光提取效率的提高显得至关重要。　　LED的光提取效率是指出射到器件外可供利用的光子与外延片的有源区由电子空穴复合所产生的光子的比例。在传统LED器件中，由于衬底吸收、电极阻挡、出光面的全反射等因素的存在，光提取效率通常不到10%，绝大部分光子被限制在器件内部无法出射而转变成热，成为影响器件可靠性的不良因素，尤其在大功率LED器件中[1]。　　为提高光提取效率，使得器件体内产生的光子更多地发射到体外，并改善器件内部热特性，经过多年的研究和实践，人们已经提出了多种光提取效率提高的方法。下面介绍几种较为常见且有效的光提取效率提高的方法。　　倒装结构　　为了减少衬底对光子的吸收，采用了转移衬底的倒装结构。对于GaAs基AlGaInP系红黄光LED，倒装结构是基于芯片键合（Wafer Bonding）技术，将导电导热性能更好的衬底与外延片的P面键合，然后去除吸收光且导热性能较差的GaAs衬底，使光从器件的N面透射出来。一般情况下，在键合界面上都会制作全方位反射镜，使射向不透明衬底一侧的光子能反射到出光面提取出来，因此这种结构大大提高了器件的光提取效率，倒装结构示意图如图1所示[2]。　　对于蓝宝石外延衬底生长的GaN基蓝、绿光LED，在去除蓝宝石不导电衬底的同时，采用了导热、导电性能更好的衬底材料（例如硅、铜等）使器件的散热性能更好，而且避免了双面电极器件中电流拥堵问题，而且大大节约了芯片的面积，在大功率器件应用上有重要意义。　　目前，各科研单位和生产厂家都意识到了倒装结构芯片的优势。市场上销售的尺寸为40mil左右的大功率LED芯片除了SiC衬底的蓝光LED以外，大部分为采用Wafer Bonding技术的芯片，在光强、功率方面较正装芯片有非常明显的优势。　　但是，倒装芯片由于必须采用键合技术，在大规模生产中成品率并不高，而且受键合设备产能和工艺的限制，产能尚不能与普通正装芯片相比，因此倒装LED芯片的生产成本较高。不过，由于芯片结构本身巨大的开发潜力，随着键合技术的深入研究与发展，成品率和产能问题将会得到改善，倒装芯片将会成为大功率LED芯片市场的主流。　　电流分布与电流扩展结构　　在上下电极结构的LED器件中，电流从电极注入，发光的有源区电流集中在上电极下面。由于LED器件纵向很薄，光基本只能从上表面出射，而金属电极是不透明的，这使得有源区所发的光大部分被上电极遮挡而无法透射出来。因此，在器件设计时，希望改变器件中电流的传输方向，将电流尽量分布到电极周围，再注入有源区发光，从而使发出的光能够被提取出来，充分利用注入电流。　　为达到改善电流传输的目的，需要在LED电极下方制作电流扩展层，目的是使电流分散到电极之外。这要求外延片表面的有一层电导率高而且透明的材料。一般正装LED芯片上表面为P型，在生长工艺中很难做到高掺杂实现高电导率，因此要达到良好的电流扩展效果就需要很厚的电流扩展层。还有一种方法是生长高掺杂的N型半导体与P型上表面形成隧道结，利用N型半导体的高电导率来进行电流扩展，不过这种方法也没有收到好的效果。改进的技术是用透明导电的氧化铟锡薄膜做电流扩展层，用电子束蒸镀的方法做在芯片上表面，收到了很好的电流扩展效果，而且并未带来过多的附加压降，成为电流扩展方面常用的技术。　　更为理想的改善电流运输的方法是在电极下方制作电流阻挡层，阻隔电流，使电流不从电极正下方通过。这样增加了光出射区域的电流分布，减小电极的“阴影”，使光子更好的从器件中提取出来。这种结构实现的方法有多种，一种是在外延结构上选取的电流阻挡区域上用二次外延的工艺或选区扩散和离子注入工艺引入一个异质结势垒或PN结，不过由于工艺复杂、成本高，都未得到推广。　　芯片形状几何化结构　　为了改善有效电流的发光，在电极及芯片几何形状上进行了深入的研究，典型的是透明衬底与倒金字塔结构，这样一来，使得有源区产生的光子形成了五面出光的结构而且可以改变光子传播方向，形成多次反射，相比正面出光的常规正装结构LED,其光提取效率得到了很大的提高[3]。　　表面微结构　　LED芯片有源区产生的光子从芯片表面发射出来，由于器件出射面材料的折射率相对较大（例如GaP的折射率为3.32，GaN为2.5），在出射表面会产生全反射，导致只有部分角度的光能够从器件中出射出来，其他角度较大的光被反射回芯片内部无法提取出来。这也是LED芯片光提取效率低的一个重要原因。　　解决这一问题就需要对LED出光表面进行处理。一般有几种做法：增透膜技术、表面粗化技术、光子晶体技术[4-5]。　　增透膜技术是在LED的出光表面镀做一层折射率在外延表层材料和空气之间的透明导电膜，通过调整该曾膜的折射率来增大出射角，使更大角度的光透射出来，减小全反射。以表面为GaP的红光LED为例，表面可以镀一层SiOxN1-x,，通过优化调整SiOxN1-x,的折射率，使光的出射角度最大，从而达到提高光提取效率的效果。然而，增透膜的方法对于用透明树脂或硅胶封装的小功率芯片而言，由于树脂或硅胶的厚度远大于增透膜厚度，从而使增透效果被“掩盖”。实验表明，虽然未封装的带有增透膜芯片光提取效率比无增透膜芯片亮度提高很多，但是封装后差距并不大。　　表面粗化技术是人为的将光滑平整的器件表面做出图形，使得出光表面不再是一个平面，光的出射角不再严格的遵守折射定律，从而使出射的光在出光面产生漫反射。这样从有源区发出的光就会以更大的概率出射，光的提取效率提高。一般的做法是用蚀刻的方法在器件的出光面做出许多小丘，控制小丘的密度和形状，可以提高提高出光效率50%-70%。不过，在实际的生产中，粗化表面特殊形状的加工比较困难，推广还有困难，大规模生产的工艺问题还需要进一步解决。　　在具有折射率周期性变化的结构中，光子表现出波的性质，与晶格中的电子相似，这种结构称为光子晶体。可以用一维、二维、三维的形式实现在光子晶体中引入缺陷，在带隙中产生局域态，意味着正常的自发辐射能够只维持一个所希望的模而抑制其他模。一个DBR-DBR的谐振腔LED就是实现了一维光子晶体的概念，含有一个缺陷，就一定波长长度的谐振腔。　　二维光子晶体应用到LED中也有相关的报道，已经有了多种制备二维光子晶体晶格的技术，如光刻腐蚀、电化学、选择性氧化等等。由于光子晶体限制了导波模，理论上的光提取效率可以达到90%以上。但是光子晶体LED的研制尚为理论验证和实验室阶段，尚不成熟。不过，对于未来的LED光提取效率接近1的诱人前景，仍然吸引了很多研究机构对此进行研究探索。　　结论　　综上所述，虽然LED器件尚存在外量子效率较低的问题，但是，现在多种光提取效率提高技术已经应用到生产，取得了很好的效果，其他尚不成熟的优化工艺也在进一步的研究中。在现在LED芯片产品的生产基础上，尚有很大的开发空间。随着研究和生产技术的发展，新技术会使LED芯片的光提取效率会逐步的提高，越来越充分的体现出半导体照明节能环保的优势。　　参考文献：　　【1】方志烈，半导体照明技术，电子工业出版社，2009；　　【2】Chih-Hung Yen, Yi-Jung Liu, Nan-Yi Huang, Kuo-Hui Yu, Tzu-Pin Chen, Li-Yang Chen, Tsung-Han Tsai, Chong-Yi Lee, and Wen-Chau Liu；A New AlGaInP Multiple-Quantum-Well Light Emitting Diode with a Thin Carbon-Doped GaP Contact Layer Structure; IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, Vol.20, No.23, P1923-1925, 2008.　　【3】D. A. VANDERWATER, I.-H. TAN, G. E. HO¨ FLER, D. C. DEFEVERE, AND F. A. KISH，High-Brightness AlGaInP Light Emitting Diodes，PROCEEDINGS OF THE IEEE, VOL. 85, NO. 11, NOVEMBER 1997，p1752-1764, invited paper.　　【4】D. H. Kim, C. O. Cho, Y. G. Roh, H. Jeon, Y. S. Park, and J. Cho et al., “Enhanced light extraction from GaN-based light-emitting diodes with holographically generated two-dimensional photonic crystal patterns,” Appl. Phys. Lett., vol. 87, pp. 203508–1–203508–3, 2005.　　【5】达小丽，2007 博士学位论文，第97-152页