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[导读]发展历程传统红光发光二极管用半导体晶圆,除了AlGaAs磊晶硅晶圆 (Epitaxial wafer) 之外,AlGaInP磊晶硅晶圆已经商品化。若在AlGaInP磊晶硅晶圆表面,制作电极再切割成晶粒状(Die),就可以制成发光二极管芯片,不过

发展历程

传统红光发光二极管用半导体晶圆,除了AlGaAs磊晶硅晶圆 (Epitaxial wafer) 之外,AlGaInP磊晶硅晶圆已经商品化。

若在AlGaInP磊晶硅晶圆表面,制作电极再切割成晶粒状(Die),就可以制成发光二极管芯片,不过传统结构发光二极管受到底部基板的影响,光吸收损失非常大,一般认为12 lm/W得发光效率是红光发光二极管的最大极限。

有鉴于此研究人员在发光二极管组件内部设置金属反射膜(MR: Metal Reflector),开发全新结构的红光发光二极管,达成发光效率48 lm/W,比传统结构提高4倍的高效率化宿愿。

发光二极管(LED)可以将电气转换成直接光,因此发光二极管被归类成半导体固态组件。

发光二极管充分发挥不需使用彩色滤光膜片,可以直接取出特定颜色的光线与低电压驱动的优点,目前已经广泛被当作各种电子机器的显示用光源,应用在各式各样的领域。

最近几年发光二极管的发光效率提升,加上蓝光与绿光发光二极管的实用化,如图1所示,发光二极管已经成为交通号志灯、汽车尾部组合灯(Rear combination lamp)、液晶显示器用背光照明模块,各种显示与照明的主要光源,持续拓展应用范围。

接着本文要介绍可以减低发光二极管基板的光损失,设有金属反射膜层、高辉度、发光效率是传统结构发光二极管的4倍、48 lm/W的AlGaInP 4元红光发光二极管的发光效率提升手法,以及金属反射膜发光二极管(MR-LED)的电气光学等各种特性。

金属反射膜LED的发光效率提升手法

如图2(a)所示传统发光二极管光源,利用注入半导体固态组件发光材料(发光层)的电子与正孔再结合获得的能量产生光线,该电气光线转换效率,以低缺陷AlGaInP结晶而言,大约可以达成70%以上的效率,材料上的特性提升可算是相当充分。

如图2(a)所示,芯片产生的光线会在半导体内部传递,接着透过发光二极管组件表面取至组件外部领域,该取光效率单纯的红光发光二极管结构,大约只有10%左右,为有效提高红光发光二极管的发光效率,必需透过发光二极管的结构设计与制程改善,提升表面穿透率与接口反射率。

红光发光二极管是在GaAs单结晶基板上,使用格子整合3元混晶AlGaAs或是AlGaInP4元混晶发光层,将GaAs单结晶基板当作发光组件,底部支撑基板使用的发光二极管。由于GaAs具备吸收红光物性,因此又称作受质基板型(AS Type: Absorbing Substrate Type)。

如图3(a)所示当初开发受质基板 (AS Type) 时,在GaAs基板上方制作发光层,由于该结构的组件表面,反射的光线与朝基板侧的光线全部被基板吸收,因此只能达成8 lm/W低电气光线转换效率。

虽然受质基板的开发,主要目的是提升发光效率,如图3(b)所示,受质基板型基本上属于半导体多层反射膜(DBR: Distributed Bragg Reflector)插入型,该结构利用半导体多层反射膜,使朝基板侧的光线反射,达成12 lm/W的电气光线转换效率。
 
然而半导体多层反射膜 (DBR),具有斜方向光线不易反射的结构性缺陷,因此朝各方向放射的发光二极管光线,不会朝基板侧传递,结构上受到很大的限制。

为提高红光发光二极管的发光效率,研究人员深入检讨可以使斜向入射至基板的光线完全反射的结构,开发图3(c)所示,使用金属薄膜的反射结构除了垂直方向之外,对斜向入射的光线,同样具备高反射特性的金属反射膜发光二极管 (MR-LED)。

金属反射膜发光二极管 (MR-LED),不易同时具备发光层、金属反射膜反射率与低电气阻抗特性,而且无法在金属反射膜上制作低缺陷的发光层,因此研究人员针对同时具备反射率与低电气阻抗问题,透过组件结构的设计进行对策,发光层的缺陷问题则透过基板贴换技术,使用与GaAs单结晶基板上结晶同等级的低缺陷AlGaInP发光层。

基板贴换技术如如图4所示,(1)首先准备低缺陷AlGaInP磊晶硅晶圆,(2)接着将发光层黏贴至底部支撑基板,(3)最后从已经贴合的晶圆去除GaAs基板,就可以在底部支撑基板上面形成具备发光层的结构。

初期特性

有关金属反射膜型发光二极管(MR Type LED)与受质基板型发光二极管(AS Type LED)的特性,两芯片的外形都是300×300μm角柱形。
 
图5是这两种发光二极管实际发光的照片,由照片可知,金属反射膜型发光二极管的发光比受质基板型发光二极管亮。

如表1的金属反射膜型发光二极管(MR Type LED)与受质基板型发光二极管(AS Type LED)初期特性比较一览所示,顺向电流20mA通电时的光束为1.92 lm,可以实现48 lm/W的发光效率,金属反射膜型发光二极管(MR Type)比受质基板型发光二极管(AS Type),发光效率提高4倍以上。

图6是上述两种红光LED的顺向电流-光束特性,由图可知,光线强度亦即光束对电流呈直线增加,即使受到发热的影响,光输出并未降低。

图7是上述两种红光LED的顺向电流-顺向电压特性,由图可知,虽然金属反射膜型发光二极管(MR Type)的顺向电压比受质基板型发光二极管 (AS Type)高,不过却可以达成实用上要求的2.2V以下顺向电压(IF=20mA),证实即使是金属反射膜结构,串联阻抗同样可以被充分削减。

晶圆面内的分布

发光二极管当作显示用途并排使用的场合,如果光强度有分布不均,会引发辉度不均。

此外定电压驱动时要求相同的顺向电压,因此研究人员调查3英吋金属反射膜型发光二极管 (MR Type)晶圆的光束,与顺向电压的面内分布特性。

光束的面内分布特性如图8所示,面内平均为1.86 lm(σ=0.05 lm),面内分布在±10%范围内,证实新型红光发光二极管,可以实现高输出、高均匀性的要求。

顺向电压的分布图9所示,面内平均为1.98 lm(σ=0.02V),面内分布在±5%范围内,证实新型红光发光二极管,同样可以实现低电压、高均匀性的要求。

 

根据上述面内分布特性,与受质基板型发光二极管 (AS Type) 的晶圆分布几乎完全相同,证实分布特性不会受到金属反射膜结构的制程影响大幅改变。

续通电特性

金属反射膜型发光二极管 (MR Type) 若与受质基板型发光二极管 (AS Type) 比较,制作基板贴换等金属反射膜结构时,容易受到热与压力造成的负载,对组件的可靠性可能产生不良影响,必需进行可靠性试验才能够确认。
 
图10是以IF=50mA,进行一周室温连续通电特性变化试验的光束、顺向电压、逆向电压测试结果。

根据测试结果可知上述2种新型红光发光二极管特性完全没有改变,证实即使制作金属反射膜型结构,同样可以获得充分的可靠性。

结语

以上介绍使用金属反射膜(MR)结构,新型高发光效率AlGaInP 4元红光发光二极管。

为提高取光效率,研究人员开发金属反射膜型发光二极管(MR-LED)的结构设计与制作技术,达成48 lm/W的超高发光效率。

超高发光效率的发光二极管,可以应用在户外混色很鲜明的辨识用途,例如户外大型显示器要求鲜艳显示、或是汽车尾组合灯等等。

此外发光效率不足,迟迟无法实用化的大型液晶显示器用LED背光照明模块,也是新型红光发光二极管,可以充分发挥特性的领域。
 

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