提高LED外量子效率

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／Ｗ［７］。
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％。 ２．３ 衬底剥离技术
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 ｎ Ｈ 和 ｎ Ｌ） 组 成 ，每 层 的 光 学 厚度为发射波长的 １／４。每层的厚
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
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 。
度 ｈＨ 和 ｈＬ 分别为
ｈＨ＝
４ｎ
ｌ０ ＨｃｏｓｑＨ
（１）
ｈＬ＝
ｌ０ ４ｎ ＬｃｏｓｑＬ
（２）
其中，ｌ０ 是发射波长，ｑＨ 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
! " ２
Ｒ＝
１－ （ｎ Ｈ／ｎ Ｌ）２ｐ（ｎ Ｈ ／ｎｓ）
材料 Ｇａ Ａｓ ０．６Ｐ ０．４ Ｇａ Ｐ ：Ｚｎ ，Ｏ Ｇａ Ａｓ Ｐ ：Ｎ ＡｌＧａＡｓ ／ＧａＡｓ
ＡｌＧａＡｓ ＡｌＩｎＧａＰ ＡｌＩｎＧａＰ， ＩｎＧａＮＳｉＣ ＡｌＩｎＧａＰ， ＩｎＧａＮＳｉＣ
发光效率／（ｌｍ／Ｗ） ＜０．２ ＜０．４ １ ２ ８ １６ ＞３０ ＞５０
效率的方法以及影响外量子效率 的一些因素。
综合
评述 Ｒ ｅｖｉｅｗ
发光与显示
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提高 ＬＥＤ 外量子效率
Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｔｈｅ Ｅｘｔ ｅｒ ｎａｌ Ｑｕａｎｔ ｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ － Ｅｍｉｔ ｔ ｉｎｇ－ Ｄｉｏｄｅｓ
占美琼 吴中林 吴恒莱 陈 林
（上海第二工业大学，上海 ２０１２０９）
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 １０￣ ２０ 个周期的 ＤＢＲ［８］。
传 统 ＤＢＲ 只 对 垂 直 入 射 和
小角度入射的光有高反射率。对
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 。
次革命。但目前商用白光 ＬＥＤ 的 发光效率只有 ２５～５０ ｌｍ／Ｗ，其发 光效率与荧光灯相比还比较低［２］。 表 １［３］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 。 ［２，４￣６］ 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
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］ ２．４ 倒装芯片技术
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ ｌｉｇ ｈｔ－ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄ ｉｏｄ ｅｓ ； ｅｘｔｅｒｎａｌ ｑ ｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ 中图分类号 ＴＮ３１２＋．８
１ 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
２
（３）
１＋（ｎ Ｈ／ｎ Ｌ）２ｐ（ｎ Ｈ ／ｎｓ）
当 ＤＢＲ 结构为 ２ｐ 层，反射率为
! " Ｒ ＝
１－ （ｎ Ｈ／ｎ Ｌ）２ｐｎｓ） １＋（ｎ Ｈ／ｎ Ｌ）２ｐｎｓ）
（４）
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。ＫБайду номын сангаасｔｏ 等
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 ＧａＮ［１０］。
２ 提高外量子效率
２．１ 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
１９９４ 年 Ｈｅｗｌｅｔｔ － Ｐａｃｋａｒｄ 公 司开始生产透明（ ＡｌｘＧａ１－ ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ ／
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图 ２ 制作透明衬底用 ＧａＰ 代替 ＧａＡｓ
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 ５０ μｍ 的 透明层（ 例如 ＡｌＧａＡｓ），然 后 再 移 去 ＧａＡｓ 衬底；３） 采用粘合技术［７］， 如图 ２ 所示，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］。
出 光 效 率 较 常 规 ＤＢＲ 可 以 提 高
约 ３５％，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
图 １ ＤＢＲ 结构 ＬＥ Ｄ 示意图
用 ＭＯＣＶＤ 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。 ２．２ 透明衬底技术
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Ｌ激光与光电子学进展 ａｓｅｒ ＆ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ
表 １ 不同生产年份 ＬＥ Ｄ 的发光效率比较［３］
年份 １９７０ １９７３ １９８０ １９８５ １９９０ １９９５ ２０００ ２００５
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
关 键 词 发光二极管；外量子效率
Ａｂｓｔ ｒ ａｃｔ Ｔｈｅ ｒｅｓ ｅａｒｃｈ ｏｎ ｉｍｐ ｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｌｉｇ ｈｔ－ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｌｉｇ ｈｔ－ ｅｍｉｔｔｉｎｇ － ｄ ｉｏｄ ｅｓ ｉｓ ａ ｈｏｔｓ ｐ ｏｔ． Ｓｅｖｅｒａｌ ａｐ ｐ ｒｏａｃｈｅｓ ｔｏ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｑ ｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ＬＥＤ ａｒｅ ｄ ｉｓ ｃｕｓ ｓ ｅｄ ， ｓ ｕｃｈ ａｓ ｇ ｒｏｗｔｈ ｏｆ ｄ ｉｓ ｔｒｉｂ ｕｔｅｄ Ｂｒａｇ ｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ （ＤＢＲ） ｔａｂ ｒｉｃａｔ － ｉｎｇ ， ｔｒａｎｓ ｐ ａｒｅｎｔ ｓ ｕｂ ｓ ｔｒａｔｅｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ ｙ， ｓ ｕｒｆａｃｅ ｌｉｆｔ － ｏｆｆ， ｆｌｉｐ － ｃｈｉｐ ， ｓ ｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇ ｈｅｎｉｎｇ ， ｕｎｕｓ ｕａｌ ｃｈｉｐ ａｎｄ ｐ ｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓ ｔａｌ ｓ ｔｒｕｃｔｕｒｅ． Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｌｉｇ ｈｔ － ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ， ｅｎｅｒｇ ｙ ｇ ａｐ ａｎｄ ｐ ｒｏｃｅｓ ｓ ｃｏｎｄ ｉｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｑ ｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｒｅ ａｌｓ ｏ ｄ ｉｓ ｃｕｓ ｓ ｅｄ ．
ＺＨＡＮ Ｍｅｉｑｉｏｎｇ ＷＵ Ｚｈｏｎｇｌｉｎ ＷＵ Ｈｅｎｇｌａｉ ＣＨＥＮ Ｌｉｎ
（Ｓｈａｎ ｇｈａｉ Ｓｅｃｏｎ ｄ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎ ｉ ｃ Ｕｎ ｉ ｖｅｒ ｓｉ ｔｙ， Ｓｈａｎ ｇｈａｉ ２０１２０９）
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 （ ＬＥ Ｄ） 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。