摘要：近年来半导体照明光源-发光二极管（LED）产业和技术发展迅速，取代传统白炽灯的步伐越来越快，相关核心技术的研究也成为各国研究的热点，但LED的发光效率和制造成本依然是阻碍LED绿色照明光源普遍推广应用的一个绊脚石。文章简述了提高外量子效率的几种有效途径，如表面微粗化技术、芯片非极性面/半极性面生长技术、倒装芯片技术、生长分布布喇格反射层（DBR）结构、激光剥离技术，纳米压印与SU8胶相结合技术、光子晶体技术等。
关键词： 半导体照明光源；表面微粗化技术；倒装芯片技术； 激光剥离技术
中图分类号：TN312+.8 文献标识码：B
The Research Progress on the Improvement of LED External Quantum Efficiency
YANG Chong2, LI Guan-qun1, LIU Da-wei1, LI Zhao-ying1, WANG Yi1,2
(1. MLS Inc., Zhongshan Guangdong 528415, China; 2. School of Applied Physics and Materials, Wuyi University, Jiangmen Guangdong 529020, China)
Abstract: In recent years, semiconductor lighting (light-emitting-diode) technology and the industry have gained a great development around the world. The pace of replacing traditional incandescent light becomes quick and the relative research, world"s research hotspots, aroused greatest interest for many scientists. However the LED light quantum efficiency and the high cost are still the large barrier or a stumbling block for LED green lighting applications. In this paper, we provide an overview of several efficient ways to improve external quantum efficiency: including surface roughening technology, Chip/half-polar non-polar surface growth technique, flip-chip technology, distributed Bragg reflector (DBR) structure, laser Peel SU8 and nano-imprint technology combining technology, photonic crystal technology and so on.
Keywords: semiconductor light source; surface roughening technology; flip-chip technology; divesting laser technology
引言
白光LED作为一种新型全固态照明光源，越来越受到世界多国的重视。因其有众多的优点、广阔的应用前景和潜在的市场，被认为是21世纪的绿色照明光源，已获得各国政府的大力支持，并寄予厚望。由于白光LED价格昂贵且性能尚未达到一般照明要求，目前白光LED照明的市场份额尚小。
LED作为一种光源，衡量它的一个重要标准就是光电转换率，且由公式ηex=ηin*Cex（式中ηin是内量子效率，Cex是逃逸率）可看出这种效率取决于内部和外部量子效率。一般来说，要提高LED的发光效率，可以从内外部量子效率着手，但由于目前各国对原材料和其内部结构的探索以及工艺和技术的相对成熟，其内量子效率已经可以达到99%以上[1]，因而通过提高内量子效率来提高LED的发光效率的已进入瓶颈，关键问题则在于如何来提高外量子效率上。近年来，人们一直在如何提高外量子效率的问题上深入研究，下面介绍提高外量子效率常用的方法和新近的研究进展。
1 提高外量子效率的方法
1.1 表面微粗化技术
表面粗化技术主要解决半导体出射面材料折射率（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，通过粗化处理材料表面，使之形成不规则的凹凸，减少多量子阱内产生的光在材料与空气界面的全反射，从而提高LED的取光效率。
H. W .Huang [2]等人利用激光辐照的方法在传统的InGaN/GaN发光二极管上部p-GaN表面形成纳米级粗糙层，经过表面粗化处理后，p-GaN表面均方根粗糙度由2.7nm增加到13.2nm。结果显示，亮度提高了25%，压降从3.55V下降到3.3V，系统电阻下降了29%[3]。加州大学的I. Schnitzer和E. Yablon-ovitch提出用自然光刻法[4]，就是先用旋转镀膜的方法将直径300nm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170nm左右，形成了粗糙的LED表面。该技术已广泛使用，可提高发光效率30%～50%。
1.2 芯片非极性面/半极性面生长技术
非极性面是指极性面法线方向上且与之垂直的面，而半极性面则是介于极性面和无极性面之间的面，即相对极性面C面倾斜的面。目前，器件大都在蓝宝石衬底的C面上生长，但C面蓝宝石衬底上生长的GaN薄膜通常都是有极性的。然而极化场将阻止发光器件中载流子的注入，因此就会降低再结合的概率，发光效率就会随着下降。当今研究的非极性或半极性GaN主要包括R（1102）面蓝宝石上的非极性A面GaN，M面蓝宝石上的半极性（10-13）或（11-22）面GaN，（100）面gama-LiAl2O4上的非极性M面GaN，（100）面MgAl2O4上的半极性（10-1-1）面GaN和（110）面MgAl2O4上的半极性（10-1-3）面GaN等[5]。据有关报道称美国加州大学圣芭芭拉分校（UCSB）与日本科学技术振兴机构创造科学技术推进事业（JST ERATO）研究小组公布了他们开发的使用MOCVD法在GaN结晶非极性面上制作的LED（非极性LED）和在半极性面上制作的LED（半极性LED），其外部发光效率比原来的非极性/半极性LED更高——当驱动电流为20mA时，发光效率为30%以上[6]。据最新消息称非极性LED能使白光的发光效率提高两倍, 将达到200 lm/W。
1.3 倒装芯片技术
AlGaInN基LED外延片通常是生长在绝缘的蓝宝石衬底上，欧姆接触的P电极和N电极只能制备在外延层的同一侧，正面出射的光有很大一部分被电极和键合引线所遮挡。造成光吸收的另一个主要原因是P型GaN的电导率较低，为了很好的满足电流扩展的要求，则需要在P区表面形成一层厚度一般在5～10nm之间的半透明Ni-Au合金电极层，这样就有部分被半透明Ni-Au层吸收，器件的发光效率因此受到的影响。采用GaN基LED倒装芯片技术可以解决这个问题[7]，它将蓝宝石的一面作为出光面，避免了上述两个因素的光吸收，而且使PN结靠近热沉、降低热阻，提高器件可靠性。2001年美国Lumileds公司报导了倒装焊技术在大功率AlInGaN基芯片上的应用，避开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%（200mA，435nm），最大功率达到400mW（驱动电流1A，435nm，芯片尺寸1mm×1mm），其总体发光效率比正装增加1.6倍[8]。最近加上表面粗化和透明荧光陶瓷片新工艺，使功率LED发光效率达到115 lm/W。用这种技术的新产品Rebel，每个1W器件光输出率为100 lm。用同样的技术改进Luxeon K2，使其热阻从<9℃/W降低到5.5℃/W。当1A电流驱动时，光通量达160 lm，更高电流驱动很容易超过220 lm。
1.4 生长分布布喇格反射层（DBR）结构
LED结区发出的光未封装之前是向上、下两个面出射的，而封装好的LED是“单向”出光，因而有必要将向下出射的光反射或直接出射。直接出射的方法即为透明衬底法，由于该法工艺复杂，且成本相对较高，所以较少采用。DBR（distributed bragg reflector）结构早在20世纪80年代由R. D. Burnham等[9]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，在有源层和衬底之间，能够将射向衬底的光利用布拉格反射原理反射回上表面，从而提高LED外量子效率。
J Dorsaz等[10]在n-GaN和缓冲层GaN间用MOCVD沉积了40层的AlInN/GaN DBR，结果显示，在室温下，注入20mA电流的情况下，光从衬底下表面输出功率为1.7mW，光输出为2.6%，在很大程度上提高了出光效率。
DBR结构因其具有诸多的优点目前已经应用于商业生产，它可以直接利用金属有机化学气相沉积发法（MOCVD）进行生长，无需再次加工处理，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。
1.5 激光剥离技术[11]
激光剥离技术是利用激光器的激光能量分解GaN/蓝宝石界面处的GaN缓冲层，从而实现LED外延片与蓝宝石衬底的分离。这可带来很多好处，如将外延片转移到高热导率的热沉上，做成铜衬底的垂直结构，可减少因蓝宝石衬底带来的磨片、划片麻烦，蓝宝石衬底可重复使用。
激光剥离技术首先由美国惠普公司在AlGaInP/GaAs LED上实现，由于GaAs衬底对光的吸收，使得LED内部光损失非常大，通过对GaAs衬底的剥离，然后粘接GaP衬底，生产出的LED发光效率可以提高近2倍。
美国M. K. Kell等人于1996年创建了GaN基材料的激光剥离技术。2002年12月日亚公司正式把它用UV LED的工艺上，使得其发光效率得到了很大程度的提高。2003年2月，德国OSRAM公司建立了第一条用激光剥离技术（LLO）的LED生产线，将LED出光效率提升至75%，是传统LED的3倍。
与之结合的技术也发展迅速，2004年中村修二报导了LLO技术结合表面粗化技术。最近，中国台湾、韩国报道了LLD技术结合电镀金属热沉、表面粗化、ITO技术。北京大学自行设计激光剥离系统、晶片键合系统，对GaN基外延片进行大面积无损伤激光剥离，成功剥离出2英寸完整的外延片，成功制备出激光剥离、垂直结构的LED芯片，在N-GaN面上制备出多种微结构，提高发光效率60以上。德国欧司朗公司将芯片键合到Cu片上，再用激光剥离蓝宝石衬底，使出光效率提高了75%，采用这种技术可使散热能力提高4倍，发光效率也提高4倍。
1.6 纳米压印与 SU8 胶相结合技术
纳米压印光刻技术（NIL）是将绘有目标纳米图案的掩膜版压印到相应的衬底上（通常是一层聚合物薄膜）压出纳米级图形，再对压印件进行常规的刻蚀、剥离等加工，最终制成纳米结构和器件。与传统的电子束微影术光刻方法相比，NIL技术具有分辨率高、低成本、高产出的经济优势，并且所制出的图形器件具有非常好的均匀性和重复性。SU8是一种负性、环氧树脂型、近紫外线光刻胶。它具有很多优点，并广泛应用于MEMS的多个研究领域。Hiroshi[12]等报道了具体的压印过程，李为军报导了进行纳米压印与SU8胶相结合的技术在提高LED发光效率方面的初步尝试，不同压印模板下的绿色LED光致发光光谱，初步测试结果表明利用纳米压印与SU8相结合的技术能极大提升LED的出光效率 [13]。这只是初步的尝试，对于不同的压印模板以及纳米压印与SU8相结合的技术对LED的发光特性的影响还需要进一步的尝试。
1.7 光子晶体技术全息技术的运用
利用光的波动性原理，配合纳米技术，提出了光子晶体LED技术。在具有折射率周期性变化的结构中，光子表现出波的性质，即光子的运动类似于在晶格中周期性势能变化下电子的运动。二维光子晶体结构含有平行圆柱的周期阵列，例如空气中的半导体柱或者半导体层中的圆柱形孔。预测出光效率超过90%，与平面晶片比较，出光效率提高10倍以上。北京大学采用阳极氧化铝作为腐蚀掩膜，以感应耦合等离子体（ICP）干法腐蚀直径为40nm、间距为100nm的孔，以低成本实现了表面光子晶体结构LED，其出光效率比通常的LED增加了42%。英国Bath大学研制了3种准光子晶体LED，出光效率可增加62%。更吸引人的是三维光子晶体，目前还待制备发展中，这对未来外量子效率接近于1的LED来说，仍是很吸引人的[14]。韩国科学DongHoKim等利用激光全息技术的制作工艺，在以GaN为主要材料的LED组件上，刻蚀出二维光子晶体，将输出功率提高了2倍以上[15]。
2 结 论
本文介绍了提高外量子效率的运用的较多的几个主要途径，实际上在还有很多在探索之中的方法，比如潘岭峰等[16]研究的阳极氧化铝工艺对提高LED的发光效率有明显的效果；刘娉娉等[17]研究的聚苯乙烯球掩膜干法粗化法相比ITO未粗化的器件发光功率提高了约36.8%；葛爱明等[18]基于光的回归反射技术提高LED外量子效率的研究，可以有效提高LED效率；近日，台湾清华大学和台湾国立应用研究实验室的研究人员在新型图形衬底增加出光方面获得新的进展，20mA工作电流下传统平面蓝宝石衬底上LED输出功率为13.9mW，外量子效率为24.5%，而他们采用空洞植入纳米衬底，20mA电流下LED功率达到33.1mW，外量子效率提高到58.3%，达到平面蓝宝石衬底的2.4倍。同时，他们的结果也高于目前蓝宝石纳米图形衬底的报道，后者外量子效率一般在40～50%范围内[19]。
过去十年间，LED发光效率显著提高。随着科技的进步，新型无机高分子材料，量子技术等进驻LED领域，LED的发展日新月异，相信，它取代白炽灯成为绿色照明光源指日可待。
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作者简介：杨 冲（1988-），男，湖北人，五邑大学在读研究生，研究方向为LED芯片外延与制造，E-mail：253820223@qq.com。
