LED 生物医学电子学论文

提高LED外量子效率摘要提高发光二极管的发光效率是当前的一个研究热点。简要介绍了从芯片技术角度提高发光二极管(LED)外量子效率的几种途径，生长分布布拉格反射层结构、制作透明衬底、衬底剥离技术、倒装芯片技术、表面粗化技术、异形芯片技术、采用光子晶体结构等。此外还介绍了发光材料、能带结构以及工艺对外量子效率的影响。关键词：发光二极管；外量子效率引言自从l991年N ichia公司Nakamura等成功研制出掺Mg的同质结GaN蓝光LED后，GaN基LED得到了迅速发展。GaN基LED以其寿命长、耐冲击、抗震、高效节能等优异特性在图像显示、信号指示、照明以及基础研究等方面有着极为广阔的应用前景1，将来还有可能代替白炽灯、荧光灯，实现人类照明史上的又一次革命。但目前商用白光LED的发光效率只有25耀50 lm/W，其发光效率与荧光灯相比还比较低2。表13给出了不同年份LED的发光效率，可以看出近30年来LED的发光效率提高了250倍以上。随着LED的应用越来越广泛，如何提高GaN基LED的发光效率越来越成为关注的焦点2，46。提高LED发光效率的两个基本出发点是提高其内量子效率和外量子效率。由于工艺和技术的成熟，已经可以制备内量子效率达到70%，80%的GaN基LED。因此，通过提高内量子效率来大幅度提高LED发光效率已没有很大的余地2。半导体照明LED关键技术之一也就是如何通过提高外量子效率来提升其出光效率。多年以来，人们开展了很多研究来提高其外量子效率2。下面主要介绍从芯片技术角度提高外量子效率的方法以及影响外量子效率的一些因素。1提高外量子效率1.1生长分布布拉格反射层(DBR)结构DBR(distributed Bragg ref-lector)结构早在20世纪80年代由R.D.Burnham等7提出。它是两种折射率不同的材料周期交替生长的层状结构，它在有源层和衬底之间，能够将射向衬底的光反射回表面或侧面，减少衬底对光的吸收，提高出光效率。DBR结构可以直接利用金属有机化学气相沉积发法(MOCVD)设备进行生长，无需再次加工处理。DBR结构由交替的多层高折射率和低折射率材料(折射率分别为hH和hL)组成，每层的光学厚度为发射波长的1/4。每层的厚度hH和hL分别为其中，是发射波长，和qL分别是每层的入射角。DBR结构的反射率由材料的折射率和周期数p决定。当DBR结构为2p+1层时，其反射率为当DBR结构为2p层，反射率为：从（4）式可以看出：周期数越多，两种材料折射率相差越大，DBR结构的反射率也越大。DBR结构的LED如图1所示。Kato等和Saka等7首先利用这种方法提高了吸收型GaAS衬底上生长的红外GaAs/AlGaAs LED的效率。具有GaN/AlGaNDBR的AlInGaN蓝色LED也已见报道。一般情况下应用1020个周期的DBR8。传统DBR只对垂直入射和小角度入射的光有高反射率。对大倾斜角入射的光，由于其反射率很小，大部分光将透过DBR被GaAs衬底吸收，为此可以将两种不同中心波长的DBR组合成复合结构，这样就可以扩展反射带，从而大幅度提高LED器件的性能。于晓东等9制备了采用A10.6Ga0.4As/A1As复合DB R的LED器件，其出光效率较常规DBR可以提高约35豫，如配合其他优化结构，复合DBR结构对LED光提取效率的改善效果会更为明显。 带DBR结构也可以直接利用MOVCD设备进行一次外延生长完成，具有很好的成本优势，而且材料晶格常数与衬底匹配，反射率高，对器件的电学特性影响小，目前已经应用于商业生产。1.2透明衬底技术除了采用DBR结构将光反射掉，还可以将LED的GaAs衬底换成透明衬底，使光从下底面出射。透明衬底技术主要是为了消除吸收衬底的影响，增大出光表面积。制作透明衬底的方法主要有：1)透明衬底可以在LED晶片生长结束后，移去吸光的n-GaAs衬底，利用二次外延生长出透明的、宽禁带导电层；2)先在n-GaAs衬底片上生长厚50um的透明层(例如AlGaAs)，然后再移去GaAs衬底；3)采用粘合技术7，将两个不同性质的晶片结合到一起，并不改变原来晶体的性质。用选择腐蚀的方式将GaAs衬底腐蚀掉后，在高温单轴力的作用下将外延片粘合到透明的n-GaP上。制成的器件是GaP衬底-有源层-GaP窗口层的三明治结构。它允许光从6个面出射，因而提高了出射效率7。1994年Hewlett-Packard公司开始生产透明(AlxGa1-x)0.5In0.5P/GaP LED，这是当时所能获得的最高亮度的LED。据1996年的报道7，636 nm的透明LED外量子效率可以达到23.7%；607.4 nm的透明衬底LED的发光效率达到50.1 lm/W7。还有，InGaAlP LED通常是在GaAs衬底上外延生长InGaAlP发光区GaP窗口区制备而成。与InGaAlP相比，GaAs材料具有小得多的禁带宽度，因此，当短波长的光从发光区与窗口表面射入GaAs衬底时，将被吸收，成为器件出光效率不高的主要原因。如果采用透明衬底方法，先去除GaAs衬底，代之于全透明的GaP晶体，由于芯片内除去了衬底吸收区，量子效率从4%提升到了25%-30%。1.3衬底剥离技术为了减少衬底的吸收，除了采用透明衬底技术外，还可以采用衬底剥离技术。它是利用紫外激光照射衬底，熔化缓冲层而实现衬底剥离。该技术主要由3个关键工艺步骤完成:(1)在外延表面沉积键合金属层(如Pd 100 nm)，在键合底板上(如Si底板)表面沉积一层1000 nm的铟；(2)将外延片低温键合到底板上；(3)用KrF脉冲准分子激光器照射蓝宝石底面，使蓝宝石和GaN界面的GaN产生热分解，再通过加热(40)使蓝宝石脱离GaN10。这项技术首先由美国惠普公司在AlGaInP/GaAs LED上实现，因为GaAs衬底的吸收，使得LED内部光损失非常大。通过剥离GaAs衬底，然后粘接在GaP衬底上，可以提高近2倍的发光效率。2002年12月日亚公司11正式把它用UV LED的工艺上，使得其发光效率得到了很大的提高。2003年2月，德国OSRAM公司12用激光剥离技术（LLO）将蓝宝石去除，将LED出光效率提至75%，是传统LED的3倍，目前他们已建立了第一条LLO生产线。此外，德国Osram Opto半导体公司13通过使用薄膜技术，发明了一种无衬底的LED设计方法，它采用GaAs衬底用作晶体生长，制作过程中，在LED的上表面镀了一层金属膜，然后粘合到一个分离的作为载体的薄晶片上。这种技术比传统的LED允许发射出更多的光。采用这种结构的615 nm红色LED能够获得超过50 lm/W的发光效率，使出光效率提高了一倍以上。还有，如果将芯片键合到Cu片上，再用激光剥离蓝宝石衬底，可使散热能力提高4倍。Si的热导率比GaAs和蓝宝石都好，而且易于加工，价格便宜，是功率型芯片的首选材料10。1.4倒装芯片技术AlGaInN基LED外延片一般是生长在蓝宝石衬底上，由P/N结发光区发出的光透过上面的P型区射出，由于P型GaN电导率低，为满足电流扩展的要求，需要在P区表面形成一层Ni-Au组成的金属电极层。而且为了获得好的电流扩展，Ni-Au金属电极层不能太薄。但器件的发光效率就会因此受到很大影响，所以通常要同时兼顾电流扩展与出光效率两个因素。采用GaN基LED倒装芯片技术可以解决这个问题14。该技术可增大输出功率、降低热阻，提高器件可靠性。它从蓝宝石衬底面出光，解决了电极遮光和蓝宝石散热不良的问题，在P电极上做上厚层的银反射器，然后通过电极凸点与基底上的凸点键合，基座用散热良好的Si材料制作，并可在基座上制作防静电电路。2001年美国Lumileds公司15倒装焊技术在大功率AlInGaN基芯片上的应用，避免了电极焊点和引线对出光效率的影响，改善了电流扩散性和散热性，背反射膜将传向下方的光反射回出光的蓝宝石一方，进一步提升出光效率，外量子效率达到21%，功率转换效率达到20%(200 mA，435 nm)，最大功率达到400 mW(驱动电流1 A，435 nm，芯片尺寸1 mm伊1 mm)，其总体发光效率比正装增加1.6倍。北京工业大学邹德恕等16也报道光从GaN/InGaN量子阱发出后，由于临界角很小，大部分光只能在器件的内部反射，被吸收掉，不能从GaN表面射出。如果采用倒装技术在GaN表面P电极欧姆层上制作金属铝反光镜，使光从蓝宝石表面射出，由于它的内反射临界角比GaN的大，所以光线容易射出，出光效率提高，可以达到正面出光效率的2倍左右。无论从节省工艺成本还是提高系统性能的角度，倒装芯片技术都将大有前途。1.5表面粗化技术表面粗化技术主要解决因为半导体材料折射率(平均3.5)大于空气折射率而使入射角大于临界角的光线发生全反射无法出射所造成的损失。其目的17主要是将那些满足全反射定律的光改变方向，继而在另一表面或反射回原表面时不被全反射而透过界面，并能起防反射的功能。透射率的增加被认为是表面粗糙化的主要功能，优化的表面粗糙(430 nm球状起伏表面)可使出光效率达到54%10。表面粗化的方法很多，加州大学的I.Schnitzer和E.Yablon-ovitch7提出用自然光刻法。就是先用旋转镀膜的方法将直径300 nm的聚苯乙烯球镀在LED的表面，这些小球遮挡一部分表面，然后用等离子腐蚀的方法将未遮蔽的表面腐蚀到深度为170 nm左右，形成了粗糙的LED表面。C.Huh等18采用先在GaN基LED表面放置4 nm Pt薄膜，在900益高温预处理使Pt变成球形，利用此球形做掩模并用腐蚀法做成粗糙面，最后用HCl：HNO3(3:1)除去Pt。对AlInGN基芯片通过把P型GaN表面的微观粗糙(金属纳米束沉积辅助以湿法腐蚀)可增加出光效率到62%。采用表面粗糙化加背面反射膜结构，外量子效率可达40%。除表面粗糙外，芯片的侧面粗糙也能进一步提升出光效率，表面粗糙后的外量子效率达22%，侧面粗糙后可达31%10该技术已经广泛使用。1.6异形芯片技术大多数实用的LED是用平面技术并用矩形结构制备的。平面矩形LED的量子效率大多不高这就需要考虑采用非矩形芯片比如抛物线形、半球形、截球形三角形、平行四边形等等。下面简要介绍一下抛物线形结构，其它结构类似。夏长生等2针对发射到衬底中的光子，设计了一种具有抛物线型衬底结构的InGaN/GaNLED，并且对平面衬底和抛物线型衬底LED的光子运动轨迹、发射功率角度分布和外量子效率进行初步模拟计算，结果表明，相对于平面衬底LED，抛物线型衬底LED可以充分利用发射到衬底中的光子，使其正向光子发射功率增加12.6倍，外量子效率提高1.22倍，同时具有发射准平行光的功能。这表明镀有金属反射层的抛物线型衬底可有效减少光子在衬底中发生多次反射或全反射的机会，使原本不能发射出去的光子沿正向发射出去，充分利用发射到衬底中的光子，有效地提高LED的正向发射功率和外量子效率。夏长生等介绍的抛物线型衬底LED包括蓝宝石衬底、发光层及金属反射层三部分。发光层依次由n型GaN、In0.2Ga0.8N/GaN单量子阱，p型GaN组成，尺寸为300滋m伊300um，蓝宝石衬底为抛物线形的实心碗状结构，上表面的中心点为抛物线的焦点，衬底中心厚度为抛物线的焦距，上表面半径为1000um，厚度为500um。发光层位于衬底上表面的中心位置，衬底下表面镀有金属反射层。2发光材料以及能带结构对外量子效率的影响发光材料的选择也会影响了外量子效率的提高。芯片发光材料的选择主要考虑如下因素：(1)要求其带隙宽度必须大于或等于所需发光波长的光子能量。对于发可见光的LED，要求带隙必须大于1.7 eV。而如果要得到短波长的蓝光或紫色LED，材料的带隙一般要大于3.0 eV。(2)可获得电导率高的N型和P型晶体，以便有效提供发光所需的电子和空穴。(3)可获得完整性好的优质晶体。晶体的杂质和晶格缺陷是影响发光效率的重要原因，因此优质晶体是提高LED效率的必要条件。影响晶体质量的因素很多，如衬底材料、晶体本身性质、晶体的生长方法等。早期的GaN蓝光LED发展缓慢的原因，就是没有合适的衬底材料，生长的GaN晶体质量难以满足要求。(4)发光复合几率大，由于发光复合几率直接影响到发光效率，故目前超高亮度LED大多数由直接带隙材料制备。对于间接跃迁晶体，也可以通过掺入适当杂质的方法来形成发光复合几率大的高浓度发光中心，以提高光效26。由族阳离子Al、Ga、In和V族阴离子As、P、N中的一种组成的三元或四元合金是当前高亮度LED的基础。相关的3种体系AlGaAs、AlInGaP、AlInGaN具有组份范围宽、可分别制备P型和N型掺杂的合金、能制成高注入效率的异质结构和制备技术相对成熟的特点，已经发展成为当前主流的高亮度LED材料体系。AlGaAs是较早的高亮度LED材料，曾在20世纪80年代后期到90年代初大量应用，但是它在高温、高湿环境下应用时容易退化。它主要采用液相外延(LPE)生长技术制备，工艺相对简单。AlInGaP材料可以发射红光(625 nm)、橙光(611 nm)和黄光(590 nm)，是当今在这些波段内的高亮度LED的主要材料。由于AlP和InP的热学稳定性差别很大，其组分控制困难，因此AlInGaP半导体材料不适合用LPE方法制备。目前，生长外延层的成熟技术是MOCVD，这种方法能够对组分和掺杂进行精确的控制，把杂质污染控制到最小。AlInGaN材料作为一种可以产生蓝光发射宽禁带半导体材料，20世纪60年代末就开始研究，早期研究的两大难点一直阻碍着研究进展，一是由于没有合适的单晶衬底材料(蓝宝石衬底与GaN的晶格失配度高达16%)，生长较高质量的GaN材料十分困难；二是Mg，Zn掺杂的P型层呈现出高阻态特性。直到20世纪80年代末，由于两步法GaN生长工艺和实现低阻的P-GaN外延片的P型层退火工艺的发展，GaN材料和器件制备工艺才取得突破性进展。AlInGaN材料是一种更为复杂的发光材料，其四元合金通常呈现纤锌矿结构，其四元化合物在整个摩尔比范围内都有直接带隙，通过控制AlInGaN材料的合金组分，其禁带宽度可以在1.9-6.2 eV连续变化，这大大扩展了LED的发光范围，使LED的颜色覆盖了整个可见光区，直到紫外区，白光LED的开发也成为可能，大大扩展了LED的应用领域。AlInGaN材料成为当今最重要的半导体发光材料体系之一。AlInGaN的P型材料典型的掺杂杂质是Si，最合适的P型杂质是Mg，采用MOCVD外延生长技术。3工艺对外量子效率的影响不同的工艺对LED发光效率的影响也不可忽视。工艺方面主要包括封装技术，散热特性等，对白色功率型LED，还要考虑荧光粉的选择和工艺等。LED封装是将外引线连接到LED芯片的电极上，不但可以保护LED芯片，而且起到提高发光效率的作用。LED封装的好坏也会影响其出光效率。因此，首先要选取合适的封装材料，不仅要求封装材料对光线的吸收小，而且要求要有合适的折射率。以GaN蓝色芯片为例，GaN材料的折射率是2.3，当光线从晶体内部射向空气时，全反射临界角约为25.8。在这种情况下，能射出的光只能是在入射角小于或等于25.8这个空间立体角内的光。为了提高LED产品封装的取光效率，必须选取合适折射率的封装材料，必要时还可以加镀一些合适折射率材料的膜层以提高其临界角，从而提高发光效率。封装技术主要有引脚式封装和表面贴装。表面贴装技术由于其应用设计更灵活，已在LED显示市场中占有一定的份额，并有加速发展、逐渐替代引脚式技术的趋势，表面贴装技术LED成为一个发展热点，很好地解决了亮度、视角、平整度、可靠性、一致性等问题，在显示反射层需要填充的环氧树脂更少，并去除较重的碳钢材料引脚，通过缩小尺寸，降低重量，可轻易地将产品重量减轻一半，最终使应用更趋完美，尤其适合户内，半户外全彩显示屏应用。良好的散热设计对提高功率型LED产品发光效率有着显著的作用。LED的快速散热，可以降低产品的热阻，使PN结产生的热量能尽快散发出去，不仅可提高产品的饱和电流、发光效率，也提高了产品的可靠性和寿命。为了降低产品的热阻，首先，封装材料的热阻要低，即要求导热性能良好；其次，结构设计要合理，各种材料间的导热性能连续匹配，材料之间的导热连接良好，避免在导热通道中产生散热瓶颈，并确保热量从内到外层层散发。同时，要从工艺上确保热量按照预先设计的散热通道及时散发出去。随着LED芯片及封装向大功率方向发展，必须采用有效的散热与性能良好的封装材料解决光衰问题。结束语高亮度LED一直是人们追求的目标。LED的亮度取决于发光效率。随着研究的深入，芯片技术、发光材料、工艺等不断改进和成熟，LED的发光效率将会不断提高。参考文献：1艾伟伟，郭霞，刘斌等.GaN基发光二极管的可靠性研究进展J.半导体技术，2006,31(3):1611652夏长生，李志锋，王茺等.抛物线型衬底InGaN/GaN发光二极管的模拟研究J.半导体学报，2006,27(1):1001043方佩敏，LED的发展概况J.今日电子，2006,8:37耀404孙元平，张泽洪，赵德刚等.GaAs吸收衬底生长的立方相GaN发光二极管的工艺设计与实现J.半导体学报，2002,23(9):100110055申屠伟进，胡飞，韩彦军等.GaN基发光二极管芯片光提取效率的研究J.光电子激光，2005,16(4):3853896 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