LED晶片取光率的提升方法介紹

　　一些我們嘗試提高LED晶片取光率的做法，這些結(jié)構(gòu)需在制作過(guò)程中加入，可以是在晶片制程中或是在氮化物薄膜磊晶過(guò)程中。需注意的是，在晶片制程中加入微結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是，可能導(dǎo)致光在介面層和在有缺陷的區(qū)域被吸收，導(dǎo)致反射光的增加而降低光的取出量，且會(huì)造成LED晶片溫度上升的負(fù)面效益。

　　避免光在基板中損失

　　為了提高LED取光量，首先我們?cè)诔龉饷娴牧硪粋?cè)加上了一鏡面，把光反射到出光面。我們發(fā)現(xiàn)制作反射面及晶片結(jié)構(gòu)的制程，會(huì)對(duì)光反射、晶片散熱和導(dǎo)電造成負(fù)面的影響。此外，反射面必須要放在距發(fā)光區(qū)域相當(dāng)距離的地方才會(huì)有效果，導(dǎo)致在晶片中來(lái)回穿梭時(shí)光源有重大的損失。一個(gè)更好增加出光量的辦法是在基板及氮化鎵初始層間制作一散射層。爾後發(fā)展在基板上制作微結(jié)構(gòu)也可提供相同作用的散射層，且有一個(gè)額外的好處，就是可減少氮化鎵的差排密度，因?yàn)檫@些基板上的微結(jié)構(gòu)有助於氮化鎵初始的成長(zhǎng)。

　　另一個(gè)方式是在氮化物磊晶層，產(chǎn)生光的量子井底下加入一反射層。在磊晶層中加上許多組不同組織的氮化鋁鎵可以產(chǎn)生布拉格反射層。不過(guò)由于材料的品質(zhì)問(wèn)題，很難形成好的多層氮化鋁鎵反射結(jié)構(gòu)。

　　我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)更有效率的作法是在氮化鎵層內(nèi)加入微結(jié)構(gòu)，除了可以發(fā)揮散射的目的外，也可以減緩在低差排密度薄膜內(nèi)的應(yīng)力。在掃描電子顯微鏡圖中顯示，藉由成長(zhǎng)條件的選擇，這些微結(jié)構(gòu)的大小和形狀可以被控制。這些空洞的形狀可從幾乎垂直到傾斜，由於具多樣性，藉由選擇磊晶模式、各層厚度及成份的控制，產(chǎn)生一個(gè)最佳的分散結(jié)構(gòu)及接近完美的晶體質(zhì)量是可能的。

　　從頂面取光

　　在晶片頂面發(fā)生的內(nèi)部反射，是降低LED光輸出的主因，可藉抗反射光學(xué)薄膜的沈積或是具高度散射的結(jié)構(gòu)來(lái)改善。根據(jù)理論，當(dāng)光波長(zhǎng)與物件尺寸的比例介於十分之一到兩倍時(shí)，此物件可最有效的散射該光源。當(dāng)比例介於三分之一至一時(shí)，會(huì)有最好的散射效率。

　　為了提高LED出光量，粗化晶片表面以增加散射是被廣泛采用的方法。有許多精密且具量產(chǎn)性的制程，可用來(lái)粗化表面。由於氮化鎵類材料發(fā)光的光波長(zhǎng)很短，為了在晶片上制作與波長(zhǎng)相當(dāng)尺寸的微結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的光阻技術(shù)有其限制，因此不是個(gè)理想的方式。從成本和產(chǎn)能的角度來(lái)看，不使用光罩的制程比較適合。在增 加光散射，有一個(gè)廣為人知且非常有效的方法，就是在磊晶最後幾層改變生長(zhǎng)條件，形成一個(gè)粗糙表面。然而這種方法的缺點(diǎn)是會(huì)影響晶片的電性和光學(xué)特性。我們認(rèn)為，比較好的方法是在p型GaN層中加入一個(gè)結(jié)晶散射層，如此可在晶片的頂部形成一平面，也方便後制程的實(shí)施。

　　在透明接觸材料施以化學(xué)處理粗化表面，以產(chǎn)生散射結(jié)構(gòu)也可增加LED出光量，如圖二c和d。此外，類似技術(shù)亦可用在覆晶（flip-chip）結(jié)構(gòu)上，光從藍(lán)寶石基板側(cè)發(fā)出。這種情況下，散射結(jié)構(gòu)是在藍(lán)寶石基板表面上形成。

　　傳統(tǒng)以劃線（scribing）技術(shù)分離晶片的方法，很容易在基板及劃線區(qū)域磊晶層造成明顯的破壞。低破壞劃線切割技術(shù)搭配切割後的化學(xué)處理，可有效解決這個(gè)問(wèn)題。

　　雖然晶片的側(cè)壁相對(duì)表面積占的比例很小，卻對(duì)LED

　　的光取出效率有舉足輕重的影響。這是因?yàn)楣猱a(chǎn)生時(shí)是往四面八方傳遞，由於光在晶片內(nèi)有高度的全反射，很大一部分的光是射向側(cè)壁。我們發(fā)現(xiàn)，以蝕刻方法，使側(cè)壁產(chǎn)生斜角用來(lái)引導(dǎo)光，或是移除側(cè)壁因劃線產(chǎn)生的損傷，且藉由粗化側(cè)壁增加光的散射，都可以提高光取出率。光被金屬層吸收又是另一個(gè)問(wèn)題，我們采用了一些非常簡(jiǎn)單的方法來(lái)解決，那就是減少金屬接點(diǎn)的面積，并藉由電流阻擋層來(lái)抑制電流注入到在金屬接點(diǎn)下方的發(fā)光區(qū)域。

　　對(duì)所有產(chǎn)生可見光的氮化物L(fēng)ED，形成良好的p型接觸是具有挑戰(zhàn)性的。p-氮化鎵表面必須盡量被接觸，以確保均勻的電流擴(kuò)散和減少接觸電阻。因此為了提高LED的發(fā)光效率，依不同晶片的設(shè)計(jì)，采用高反射或是高透明的p 極接觸材料是必要的。選擇正確的接觸材料種類及結(jié)構(gòu)是一大挑戰(zhàn)。