LED芯片技术的发展

自从1993年Nakamura发明高亮GaN蓝光LED以来，LED技术及应用突飞猛进。究其原因有两个方面：1）全系列RGB LED产生，其应用面大大拓宽，2）白光LED产生，让追求低碳时代的人们期望LED尽快成为智能化的第四代固态照明光源。虽然LED的发光效率已经超过日光灯和白炽灯，但商业化LED发光效率还是低于钠灯(150lm/W)。那么，哪些因素影响LED的发光效率呢？就白光LED来说，其封装成品发光效率是由内量子效率, 电注入效率, 提取效率和封装效率的乘积决定的。

其中内量子效率主要取决于PN结外延材料的品质如杂质、晶格缺陷和量子阱结构, 目前内量子效率达60%。电注效率是由P型电极和N型电极间的半导体材料特性决定的，如欧姆接触电阻，半导体层的体电阻（电子的迁移率）。对460nm蓝光（2.7eV）LED，导通电压3.2-3.6V, 所以目前最好的电注入效率84%。但AlGaInP LEDs的大于90%。提取效率由半导体材料间及其出射介质间的不同折射率引起界面上的反射，导致在PN发射的光不能完全逸出LED芯片。提取效率目前最大达75%。封装效率由封装材料荧光粉的转换效率和光学透镜等决定的，封装效率为60%。因此目前白光LED的总效率可达23%。就LED芯片制造技术来说，它只直接影响着电注入效率和提取效率，因为内量子效率.和封装效率分别直接与MOCVD技术和封装技术有关，因此本文着重介绍相关于电效率和提取效率的LED芯片技术及其发展趋势。

1、改善电注入效率

从电学上来说LED可以看作由一个理想的二极管和一个等效串联电阻组成，其等效串联电阻由P型层电阻 、P型接触电阻、N型层电阻、N型接触电阻以及P-N结电阻等五部分组成。由于在四元AlGaInP LED中电注入效率大于90%，故下面重点讨论GaN基LED。

1）接触电阻　　

对于N-GaN的欧姆接触相对容易制作，常用几种金属组合如Ti/Al，Ti/Al/Ti/Au, Cr/Au/Ti/Au等，接触电阻率通常可以达到10-5~10-6 Ω·cm2。尤其用得最多的四层金属Cr/Au/Ti/Au的欧姆接触达 0．33 nΩ·cm2。值得一提的是有Al的金属组合中高温性能较差，在温度较高时Al存在横向扩散，这对于小尺寸芯片非常容易出现短路现象。

对于低阻的p-GaN欧姆接触制作比较困难，原因是p-GaN 材料的P型浓度小于1018cm- 3，其次没有与P-GaN材料的功函数（7.5eV）匹配的金属材料。目前具有最大功函数的金属Pt，其功函数也只有5.65eV。所以接触电阻率通常为10 - 2~10-3Ω·cm 2。这样的接触电阻对于小功率LED来说不存在严重的问题，但对于大功率这个问题不能忽略了。在这种情况下要获得低阻的p-GaN欧姆接触就得选择合适的欧姆接触金属，还得去除GaN 表面氧化层和采用优化热退火条件的措施。

2）体电阻

由于掺Mg的P型GaN 载流浓度只有 1017/cm3量级，P型GaN层电阻率比较大（~1Ω•cm），比N型电阻率高出一个数量级以上，可以认为等效串联电阻的体电阻主要产生在P型层中。因此，采用两种方法来减小体电阻：一种是合理设计P、N电极结构，尽量缩短它们间的距离，尤其对于大功率芯片。另一种采用透明导电层（ITO/TCL）。

2、改善提取效率

大家知道，无论四元AlGaInP还是GaN LED，形成PN结的半导体材料具有高的折射率，根据Snell定律，光在不同折射率界面处会发生全反射，因而降低了提取效率。下面将阐明芯片制造技术如何改变LED芯片的界面，从而提高芯片的光提取效率。

（1） 芯片塑形（chip shaping）

常规芯片的外形为立方体，左右两面相互平行，这样光在两个端面来回发射，直到完全被芯片所吸收，转化为热能，降低了芯片的出光效率。1993年，M. R. Krames等用磨成角度切割刀将AlGaInP LED成倒金字塔(Truncated Inverted Pyramid, TIP)形状（侧面与垂直方向成35度角）。芯片的四个侧面不再是相互平行，可以使得射到芯片侧面的光，经侧面的反射到顶面，以小于临界角的角度出射；同时，射到顶面大于临界角的光可以从侧面出射，从而大大提高了芯片的出光效率，外部量子效率可以达55%，发光效率高达100lm/W。但将TIP用于加工采用硬度极高的蓝宝石衬底的GaN LED有相等的困难。2001年，Cree公司成功地制作出具有相同的结构形式的GaN/SiC LED，其基板SiC具有被制作成斜面，并将外部量子效率提高到32%，但SiC价格比蓝宝石的高的多。(责任编辑：admin)