中心議題：
解決方案：
- 采用工藝技術(shù)提高LED 的出光效率
- 分析得出實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果
1. 引言
目前大功率LED光提取效率比較低的一個(gè)重要原因是LED 襯底的厚度比較大，很大一部分有源區(qū)發(fā)射的光入射到襯底層被襯底和電極等材料吸收，從而大大降低光的提取效率，進(jìn)而影響出光，為了改善這一缺陷，近幾年利用全方位反射鏡 ( omnidirectional reflector，ODR) 將有源區(qū)發(fā)出的射向襯底的光反射出去是一個(gè)興起的分支. Tu 等采用ZnO 接觸作為反射鏡減少光源射向頂部時(shí)被不透明電極吸收的部分光線; Horng 等在Si 襯底與有源區(qū)之間增加反射鏡，并在p，n 區(qū)兩側(cè)分別做粗糙處理來(lái)增加出光，制作工藝復(fù)雜; 李一博等的利用Si做轉(zhuǎn)移襯底，Au做反光鏡和鍵合界面，ITO做緩沖層和窗口層制作基于Au /Au直接鍵合的反光鏡，是金屬反射鏡，與ODR 有本質(zhì)區(qū)別并且在實(shí)際操作中需要鍵合技術(shù)，工藝相對(duì)復(fù)雜; 考慮到Ag / SiO2 作為反射鏡時(shí)，入射光不論是TE 模態(tài)還是TM 模態(tài)在不同角度上都有很高的反射率，所以本實(shí)驗(yàn)中采用現(xiàn)有的芯片，先將藍(lán)寶石襯底減薄，再在藍(lán)寶石襯底上用PECVD 分別鍍上一層SiO2和Ag，即構(gòu)成了白光ODR LED，制作工藝簡(jiǎn)單，光強(qiáng)提高顯著，利于生產(chǎn)實(shí)際. 實(shí)驗(yàn)中采用電極形狀如圖1 所示，ODR LED 芯片剖面結(jié)構(gòu)如圖2 所示，圖2 中藍(lán)寶石襯底下Mirror 為Ag / SiO2.
2. 實(shí)驗(yàn)原理
圖2 模擬了光在ODR LED 內(nèi)部發(fā)射時(shí)所經(jīng)過(guò)的路徑: 當(dāng)在p，n 電極上加上正向壓降時(shí)，p 區(qū)空穴與n 區(qū)電子向有源區(qū)運(yùn)動(dòng)并發(fā)生輻射復(fù)合，發(fā)出的光線有兩條路徑，一條直接射出如圖2 中路徑1，另一條射向襯底下的全方位反射鏡，并發(fā)生反射，從頂面或側(cè)面射出如圖2 中路徑2，從而增加光射出的路徑，增強(qiáng)LED的光通量與光效.
3. 實(shí)驗(yàn)樣品
本批實(shí)驗(yàn)樣品采用揚(yáng)州華夏集成光電有限公司生產(chǎn)的芯片.對(duì)一塊外延片整體進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果基本一致后試制成芯片. 將該外延片一半制做成普通LED 芯片，另一半制做ODR LED 芯片，芯片的尺寸為40 mil. 選取一個(gè)單元中的ODR LED芯片如圖3 所示，與圖2 比較，可以明顯看出芯片亮度不同.
采用半自動(dòng)針測(cè)機(jī)對(duì)芯片進(jìn)行點(diǎn)測(cè)并選取與點(diǎn)測(cè)平均值較近的單元( 包含ODR 芯片與普通芯片各一個(gè)單元) 進(jìn)行試制成LED 樣品，這兩個(gè)單元裸芯片在封裝前的點(diǎn)測(cè)結(jié)果如表1表2 所示. 從表1 表2 測(cè)量結(jié)果中可以看出: ODR 芯片比普通芯片的光強(qiáng)1847mcd 提高了244 mcd，相對(duì)提高了13. 21% ，這是由于ODR 增加反射光; 在通入相同的350 mA 工作電流時(shí)，ODR 芯片的電壓比普通芯片的電壓3. 202 V 增加了0. 002 V，此誤差較小可忽略; 其他方面的測(cè)量，兩種芯片測(cè)試結(jié)果基本保持一致.
4. 測(cè)試結(jié)果與分析
4. 1. 光色電測(cè)試結(jié)果
對(duì)封裝后的樣品選取普通LED 和ODR LED 各7個(gè)，兩類(lèi)LED中不同樣品各自編號(hào)，先進(jìn)行LED的快速光色電測(cè)試，測(cè)試儀器為杭州遠(yuǎn)方HAAS- 2000 LED 快速光色電綜合測(cè)試量系統(tǒng)，測(cè)試溫度為25℃，測(cè)試電流為350 mA，兩組LED 的測(cè)試結(jié)果如下，表3 中去除5 號(hào)、表4 中去除5 號(hào)和7 號(hào)等性能不佳的樣品，兩組樣品測(cè)量反向漏電流時(shí)的反向電壓均為- 5. 008 V.
從表3 中可以看出，整體樣品品質(zhì)較好，光通量較高，平均值達(dá)到76. 62 lm，光效達(dá)到65. 11 lm /W， 并且在正常工作電流為350 mA 情況下，電壓僅為3. 362 V，色純度為10. 3% ，但色溫偏高，為7010 K; 表4 看出經(jīng)過(guò)ODR LED 處理后的LED 在光學(xué)、電 學(xué)、色參數(shù)方面都有明顯改善，光通量到達(dá)81. 25 lm，光效為68. 85 lm /W，比普通LED分別提高了4. 23 lm，3 . 74 lm /W，相對(duì)提高了6. 04%，5. 74% ，電壓為3. 371 V，僅增加了9 mV. 通過(guò)ODR LED 與普通LED的主波長(zhǎng)、色溫對(duì)比，我們認(rèn)為ODR 對(duì)于黃綠光的反射作用要強(qiáng)于藍(lán)光，導(dǎo)致ODR LED 的白光光譜中黃綠光相對(duì)普通LED 的光強(qiáng)增加量高于藍(lán)光，這一方面導(dǎo)致ODR LED 的色溫比普通LED 的色溫更低，降低了1804 K，大幅度提高LED 的色溫性能; 另一方面導(dǎo)致ODR LED 主波長(zhǎng)紅移. 而且 ODR LED 的色純度明顯比普通LED 高，提高 8. 1% ，相對(duì)提高了78. 64% .
4. 2. 光譜測(cè)試
對(duì)測(cè)試的ODR LED 與普通LED 的發(fā)光光譜進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖4 所示，從圖中可以看到，兩種樣品均產(chǎn)生兩個(gè)波峰，并且兩個(gè)波峰位置相同，一個(gè)峰位于445 nm，屬于藍(lán)光光譜范圍，另一個(gè)峰位于 546 nm，為黃綠光光譜范圍，這是由于這批白光LED 樣品采用在LED 藍(lán)光芯片上涂覆YAG ( yttrium aluminum garnet，釔鋁石榴石) 熒光粉，芯片發(fā)出的 藍(lán)光激發(fā)熒光粉后可產(chǎn)生典型的500-580 nm 黃綠 光，黃綠光再與藍(lán)光合成白光. 利用這種方法制備白光簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)且效率高，資金投入不大，因此具有一定的實(shí)用性.
從圖4( a) ，( b) 中可以看出，ODR LED 與普通LED 的第一個(gè)峰位，均位于445 nm 處，兩種LED 的 FWHM 均為33 nm 左右，但從圖中右上角相對(duì)光譜強(qiáng)度可以看出ODR LED 的藍(lán)光光譜強(qiáng)度要高于普通LED; 另一個(gè)峰位，兩種LED 均位于546 nm，ODR LED 的FWHM 為122. 0 nm，普通LED 的FWHM 為120. 43 nm，ODR LED 的FWHM 要略大于普通LED，仍需改進(jìn); ODR LED 中黃綠光的光譜強(qiáng)度也 高于普通LED，這都是由于ODR 的反射作用. 但ODR LED 較普通LED 而言，黃綠光的增加量高于藍(lán)光，我們認(rèn)為ODR 對(duì)于白光中黃綠光的反射強(qiáng)度要高于藍(lán)光，使得白光光譜中黃綠光的增加高于藍(lán)光的增加，這也正是主波長(zhǎng)紅移和色溫降底的原因.
4.3. 電學(xué)性能測(cè)試
對(duì)ODR LED 與普通LED進(jìn)行I-V 特性測(cè)試，測(cè)試條件為: 電流從0-1000 mA，間隔2mA，測(cè)試溫度為25℃，測(cè)試結(jié)果如圖5，從圖上可以看出，兩種LED 的整體電流電壓特性很好，均未出現(xiàn)隨著電流增大電壓出現(xiàn)飽和的情況，說(shuō)明這批樣品品質(zhì)較好. 當(dāng)電流小于400 mA 時(shí)，ODR LED 與普通LED 的電流電壓曲線基本重合; 當(dāng)電流大于400 mA 時(shí)， ODR LED 的電壓比普通LED 的電壓較高，并且差距越來(lái)越大，但始終在誤差范圍內(nèi). ODR LED 的串聯(lián)電阻為1. 160 Ω,比普通LED的串聯(lián)電阻1. 102 Ω僅增加0. 058 Ω，兩者基本相同.
式中Id 及Ir 分別是由擴(kuò)散及復(fù)合所引起的飽和電流，Rs 為器件的串聯(lián)電阻.
若忽略Rs 對(duì)工作電流的影響，( 1 ) 式可以簡(jiǎn)化為
I = Idiff exp[αV] + Ire exp[βV]. ( 2)
從圖5 可以看出，當(dāng)電流處于0-1000 mA 時(shí)，I-V 特性曲線呈現(xiàn)兩種不同的區(qū)域.
當(dāng)I < 400 mA，兩種LED 的I-V 特性曲線基本重合，并呈現(xiàn)指數(shù)曲線
I = 2. 86 × 10 -3 exp[( 0. 00038V) ]. ( 3)
當(dāng)I > 400 mA，兩種LED 的曲線有所分離，
ODR LED: I = ( 2. 83139 + 0. 00132V) × 10 -3 ，( 4)
普通LED: I = ( 2. 82993 + 0. 00126V) × 10 -3 . ( 5)
由兩種LED 曲線的解析( 4) ，( 5) 式也可以看出兩種LED 的電壓差差距較小，說(shuō)明ODR LED 處理對(duì)LED 器件電壓基本無(wú)影響.
4. 4. 光學(xué)性能測(cè)試
對(duì)兩種LED 的光通量和光效隨電流變化進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量條件與I-V 特性測(cè)試相同. 結(jié)果如圖6 所示，從圖中明顯看出，兩種LED 的光通量隨著電流升高而逐漸升高，光效均隨著電流的升高而逐漸降低; 而ODR LED 的光通量和光效要始終高于普通LED，這從光通量和光效隨電流變化的角度來(lái)證實(shí)了ODR LED 的優(yōu)勢(shì).
隨著電流的逐漸升高，LED 中p，n 區(qū)空穴和電子在大電流的驅(qū)動(dòng)下增加了向多量子阱的擴(kuò)散，使得復(fù)合發(fā)光逐漸增加，從而增加了光通量，所以兩種類(lèi)型的LED 的光通量均會(huì)隨著電流的升高而增加. 由于ODR LED 特有的反射作用使得ODR LED 的光通量高于普通LED，并且隨著電流的增加其增加的幅度也會(huì)高于普通LED. 在光效問(wèn)題上，在電流逐漸升高時(shí)，由于大功率LED 的電流驅(qū)動(dòng)較高，使得芯片內(nèi)部熱效應(yīng)劇烈，增加了芯片內(nèi)部非輻射性復(fù)合，相對(duì)降低芯片的外量子效率，使得芯片光效呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)，導(dǎo)致芯片性能惡化. 但是ODR LED 的光效始終高于普通LED，說(shuō)明ODR LED 在光衰抗老化中有著顯著優(yōu)勢(shì).
4. 5. 色參數(shù)性能測(cè)試
在LED 的色學(xué)參數(shù)測(cè)試中，實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試了峰值波長(zhǎng)、半峰寬、色溫隨電流的變化而變化，測(cè)試電流與前面I-V 特性曲線測(cè)試中相同，圖7顯示峰值波長(zhǎng)及半峰寬隨電流變化的關(guān)系，圖8 顯示色溫隨電流變化的關(guān)系.
從圖7中可以看出，隨著電流的增加，峰值波長(zhǎng)逐漸發(fā)生藍(lán)移，并且ODR LED 的藍(lán)移量為10. 5 nm 要高于普通LED 的藍(lán)移量8. 5 nm，這說(shuō)明ODR LED 在波長(zhǎng)方面的光衰不如普通LED 好. 由于GaN 基材料固有的極化效應(yīng)，致使多量子阱能帶傾斜，產(chǎn)生量子限制斯塔克效應(yīng)( QCSE) . 隨注入電流的增加，多量子阱區(qū)的自由載流子增加，由電子和空穴的空間局域性產(chǎn)生的電場(chǎng)可以在一定程度上屏蔽了極化電場(chǎng)，減弱了量子限制斯塔克效應(yīng)，且超過(guò)了熱效應(yīng)引起的紅移，使量子阱的有效禁帶寬度變大，峰值波向短波移動(dòng)，發(fā)生藍(lán)移; 對(duì)于兩種LED 半峰寬的增加，可能是由于存在量子限制斯塔克效應(yīng)，使載流子壽命的降低和光譜的展寬.
LED 的色溫是把標(biāo)準(zhǔn)黑體加熱溫度升高到一定程度時(shí)該黑體顏色開(kāi)始深紅-淺紅-橙黃- 白-藍(lán)逐漸變化，當(dāng)某光源與黑體顏色相同時(shí)，把黑體當(dāng)時(shí)的絕對(duì)溫度稱為該光源的色溫. 從圖8 中可以看出，隨著電流的增加，兩種LED 的色溫均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，這是由于電流加大后，兩種LED 的藍(lán)光發(fā)射強(qiáng)度均增加，而熒光粉的厚度是一定的，則在出射的白光中藍(lán)光成份增多，色溫增加. 普 通LED 的色溫偏高，從開(kāi)始的6632 K 增加至8251 K，色溫始終處于高色溫段，且色溫變化較大; ODR LED 的色溫適中，從5308 K 升高至5619 K，色溫始 終處于中色溫段，且色溫變化幅度要遠(yuǎn)小于普通LED 燈，說(shuō)明ODR LED 在色溫方面有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)---穩(wěn)定性高.
5. 結(jié)論
針對(duì)近年來(lái)LED 出光效率不高的問(wèn)題，本文采用簡(jiǎn)單工藝條件提高LED 的出光效率，并且實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果也證實(shí)了這種工藝處理的簡(jiǎn)易性、可行性和優(yōu)越性. 從整體上看ODR LED 在光學(xué)、電學(xué)、色參 數(shù)都要比普通LED 有一定的優(yōu)勢(shì)，尤其是色參數(shù)方面，將大功率LED 從高色溫區(qū)降低至中色溫區(qū)，利于視覺(jué)的保護(hù)，并且隨著電流的增加其色溫仍在中色溫區(qū)內(nèi)，極大的改善功率型LED 的色溫缺陷，對(duì)生產(chǎn)實(shí)際具有一定的指導(dǎo)作用. 感謝揚(yáng)州華夏集成光電有限公司提供的實(shí)驗(yàn)樣品和相關(guān)工藝幫助，尤其是林岳明博士并對(duì)實(shí)際樣品的實(shí)驗(yàn)提供相關(guān)的指導(dǎo)與建議.