改善紅光LED提取效率的創(chuàng)新技術(shù)(圖)

　對(duì)目前的紅光LED來說，擁有更好的提取效率已經(jīng)不是不可能的事了，這是由于擁有特殊設(shè)計(jì)的穿透和反射層的原因，該產(chǎn)品已于晶元光電的兩條產(chǎn)品在線開發(fā)完成。

　目前許多以 AlGaInP 為基材的 LED 大部分被用來提供作為交通信號(hào)和汽車剎車燈的紅色光源。然而，此類型的器件如果每單位流明成本更低廉的話，將可以更成功的應(yīng)用于商品化的產(chǎn)品。例如投影機(jī)、液晶電視的背光源以及色溫調(diào)變裝置等。

　降低每單位流明成本的方法可以使用新技術(shù)提高 LDE 的效率，例如改善成長(zhǎng)的條件或器件制程的方式，將此器件的內(nèi)部量子效率提高至理論極限，如此便能提高 LED 器件的發(fā)光提取效率。

　目前已經(jīng)有許多的技術(shù)朝向此目標(biāo)進(jìn)行開發(fā)研究，但是沒有一個(gè)是合適的。加入分布式布拉格反射器 (distributed Bragg reflector, DBR) 于 LED 中用來降低光源在 GaAs 基板上的吸收，但是反射光源在傾斜入射角度的效率相對(duì)低，這是因?yàn)槊黠@的光學(xué)損失所造成的。改善的方式可以取代該基板替換成可穿透的基材，例如藍(lán)寶石或 GaP，但是依舊還是有缺點(diǎn)，這是因?yàn)檫@些方式并無法釋放出有效的熱傳功率系數(shù)，仍須使用最大的驅(qū)動(dòng)電流和流明輸出值。不過，表面的型態(tài)依舊能增加光的輸出，但是若利用傳統(tǒng)的化學(xué)刻蝕技術(shù)則不容易控制邊界和刻蝕范圍。

　熱傳導(dǎo)問題最近使用一種新的方式，通過取向附生層的轉(zhuǎn)換來通電與熱傳導(dǎo)基板。然而，即便使用此種先進(jìn)的方式，光學(xué)效率在許多商品化的 620 nm 波長(zhǎng)的 LED 僅僅只有 50 lm/W。這意味著高亮度的 LED 的產(chǎn)生來自于多種不同的技術(shù)結(jié)合而成，如此便無法滿足客戶對(duì)效率的期望。

　無論如何，在臺(tái)灣的晶元光電股份有限公司，我們擁有尚未公開發(fā)表的新系列 AlGaInP LED，該產(chǎn)品能產(chǎn)生遠(yuǎn)大于目前技術(shù)的效率。針對(duì)這些產(chǎn)品，我們將其命名為P和A系列（雖然他們最初是分別被命名為鳳凰和寶瓶 LED）。主要的特色在于光的激發(fā)效率最少為 50％ ，這一切都要?dú)w功于額外的多層膜結(jié)構(gòu)的波形表面型態(tài)以及不同等級(jí)的反射系數(shù)。更重要的是，我們使用原有的設(shè)備便可從事制造，并且量能滿載。

　我們稱此專利的的多層膜結(jié)構(gòu)為“朗伯穿透和反射膜層”，因?yàn)樗麄兪且姥?Johann Heinrich Lambert 的余弦散射定律。這些結(jié)構(gòu)的反射或發(fā)散在垂直于表面的方向擁有極大的強(qiáng)度，在最傾斜的角度則強(qiáng)度最弱（請(qǐng)見圖一的定義）

　圖一：(a) Lambertian穿透面在垂直于該表面時(shí)會(huì)擁有最大的穿透率（透光強(qiáng)度與 cos[θ] 成正比，θ表示從基板平面到垂直位置間的角度），本圖箭頭的長(zhǎng)度表示光源的強(qiáng)度。(b) Lambertian反射面產(chǎn)生相同強(qiáng)度的分布，晶元光電已經(jīng)確認(rèn)過Lambertian本身的傳輸特性 (c) 和反射器。(d) 入射光束的角度θ為0#176;、30#176;和 60#176;，而觀測(cè)的角度從5#176;到80#176;之間。

　我們的 P-系列和 A-系列的 LED 特色，為 Lambertian 的發(fā)射和反射分別在器件的上方和下層。發(fā)射器釋放出來的光絕大部分都往正前方前進(jìn)，僅僅有非常少部分的的光線會(huì)返回到器件里面，這些有可能被量子所吸收。同時(shí)，反射器會(huì)經(jīng)由特定角度，將絕大部分的光源導(dǎo)向基板返回器件，以避免芯片內(nèi)部的多重反射發(fā)生。

　我們制作我們的 P-系列芯片是通過 GaP 表面的 Lambertian 反射器所創(chuàng)造出來的，此乃 AlGaInP 在 GaAs 取向附生層的最上層（圖二a）。在 GaAs 被移除之前，此晶圓先與硅結(jié)合。接著我們刻蝕掉 n-type 電鍍層而形成 Lambertian 反射器，并明確界定黃金 p-type 與硅基板的背面互相接觸。晶圓的問題如下，在器件被結(jié)合之前，晶圓會(huì)先切成獨(dú)立的芯片。

　A-系列的 LED 擁有些許不同的設(shè)計(jì)（圖二b），為了將晶圓與藍(lán)寶石相結(jié)合，使用穿透率高的黏著薄膜用來作為結(jié)合劑，除此之外，制造程序與 P-系列類似。

圖二：（上）P-系列 (a) 和 A-系列 (b) 的 LED 特色為
擁有 Lambertian 的穿透和反射面。

　我們的 A-系列芯片會(huì)在 615~620nm 被激發(fā)，且僅需 2V 的正向電壓（請(qǐng)情請(qǐng)參照表一）。在 20 mA 的電流下，620 nm 會(huì)釋放出 107 lm/W，而 615 nm 在相同的電流條件下，同樣能產(chǎn)生出 130 lm/W（請(qǐng)參見圖三，其它器件的電流作比較）。這個(gè)產(chǎn)品的最大正向電流等級(jí)為 40 mA，本器件的確有足夠的能力作為背光源、建筑光源、娛樂和裝飾用的光源。

圖三，其它器件的電流作比較

　P-系列芯片與他們的A-系列尺寸相同，但卻是操作于高電流范圍，這一切都要感謝硅基板優(yōu)異的熱傳導(dǎo)系數(shù)，當(dāng)電流為 250 mA 時(shí)，他們可以產(chǎn)生 25 lm（圖四），但我們建議驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)維持在 70 mA，這種 LED 同樣能適用于我們的A-系列芯片，但是我們?nèi)匀粚⑺ㄎ挥诮煌ㄌ?hào)志、廣告招牌和路標(biāo)等應(yīng)用。

圖四

　我們的這兩種產(chǎn)品都擁有非常高的可靠性，經(jīng)過 1000 小時(shí)的長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，P-系列的芯片在 80 mA 的輸出電流，85 amp;ordm；C 和 85％ 的濕度環(huán)境下，都能維持穩(wěn)定的光源輸出；而 A–系列芯片在相同環(huán)境條件下，提供 40mA的電流，也都能維持穩(wěn)定的光源輸出。

　我們相信我們的紅光 LED 在 20 mA下，能夠創(chuàng)造出前所未有的發(fā)光效率，我們的顧客也說，它能提升30–50％ 以上，超越市場(chǎng)上所有的其它產(chǎn)品。今年我們將會(huì)在我們自己的生產(chǎn)在線生產(chǎn)制造這些器件，同時(shí)我們也很有信心該產(chǎn)品將會(huì)大大提升紅光LED的發(fā)展。