分析如何提升的贴片二极管效能

　　发光二极管的发光效能一般称为器件的外部量子效能(externalquantumefficiency)，它是器件的内部量子效能(internalquantumefficiency)与器件的取出效能(extractionefficiency)的乘积。所谓器件的内部量子效能其实就是器件本身的电光转换效能，主要与器件本身的特性如器件材料的能带、缺陷、贴片二极管、杂质，及器件的磊晶组成及结构等有关。而器件的取出效能指的则是器件内部生成的光子，在经过器件本身的吸收、折射、反射后实际上在器件外部可测量到的光子数目。因此相关于取出效能的因素包括了器件材料本身的吸收、器件的几何结构、器件及封装材料的折射率差及器件结构的散射特性等。而上述两种效能的乘积，就是整个器件的发光效果，也就是器件的外部量子效能。

　　早期器件的发展集中在提升其内部量子效能，方法主要是利用提高磊晶的质量及改变磊晶的结构，使电能不易转换成热能，进而间接提高整流桥的发光效能，从而可获得约70%左右的理论内部量子效能。但是这样的内部量子效能几乎已经接近理论的极限，在这种状况下，光靠提升器件的内部量子效能是不可能提升器件的总光量的，也就是外部量子效能达到目前的两到三倍，提升器件的取出效能便成为重要的课题。目前用于提升器件取出效能的方法，主要可以分为下列几个方向：

　　晶粒外型的改变——TIP结构

　　常规发光二极管晶粒的制作为标准的矩型外观。因为一般半导体材料折射系数与封装环氧树脂的差异大，从而使交接口全反射临界角小，而矩形的四个截面互相平行，光子在交接口离开半导体的机率变小，让光子只能在内部全反射直到被吸收殆尽，使光转成热的形式，造成发光效果更不佳。因此，改变整流桥形状是一个有效提升发光效能的方法。HP公司所发展的TIP(Truncated-Inverted-Pyramid)型晶粒结构，四个截面将不再是互相平行，而光就可很有效的被引出来，外部量子效能则大幅提升到55%，发光效能高达100流明/瓦，是第一个达到100lm/W的整流桥。

　　然而HP的TIPLED只是用在易于加工的四元红光整流桥上，对于使用硬度极高的蓝宝石(Sapphire)基板的GaN系列发光二极管而言有相当的困难。2001年初Cree公司使同样的结构概念(图4)，夹着其基板是SiC的优势，也成功将GaN/SiC发光二极管同样作成具有斜面的LED，并将外部量子效能大幅提升到32%;然而SiC基板比Sapphire贵很多，因此目前在这一技术上，尚无进一步的进展。

　　表面粗化(surfaceroughness)

　　通过将器件的内部及外部的几何形状粗化，桥堆破坏光线在器件内部的全反射，提升器件的取出效能。这样的方法最早是由日亚化学所提出的，其粗化方法基本上是在器件的几何形状上形成规则的凹凸形状，而这种规则分布的结构也依所在位置的不同分为两种形式，一种是在器件内设置凹凸形状，另一种方式是在器件上方制作规则的凹凸形状，并在器件背面设置反射层。由于使用常规工艺即可在GaN系化合物半导体层的接口设置凹凸形状，因此上述第一种方式具有较高的实用性。目前若使用波长为405nm的紫外线器件，可获得43%的外部量子效能，取出效能为60%，为目前全球最高的外部量子效能与取出效能。

　　芯片粘贴技术(waferbonding)

　　因为发光二极管所生成的光线在经过多次全反射后，大部分都被半导体材料本身与封装材料所吸收。因此若使用会吸光的GaAs作为AlGaInPLED的基板时，将使得发光二极管内部的吸收损失变得更大，降低了器件的取光效能。二极管生产厂家为了减少基板对LED所发出光线的吸收，HP首先提出透明基板的粘贴技术。所谓的透明基板粘贴技术主要是将发光二极管晶粒先在高温环境下施加压力，并将透明的GaP基板粘贴，之后再将GaAs除去，如此便可将光线取出率提高两倍。

　　上述的芯片粘贴技术目前主要还是应用在四元LED器件上，然而近来也开始将此技术运用在GaNLED上。OsramOptoSemiconductors在2003年2月也发表了新的研究成果——ThinGaN，可将蓝光LED取光效能提升到75%，比常规提升了3倍。

　　覆晶封装(Flipchip)

　　对于使用蓝宝石基板(sapphiresubstrate)的GaN系列的材料而言，因为其P极及N极的电极必须做在贴片二极管的同一侧，因此若使用常规的封装方法，占器件大部分发光角度的上方发光面将会因为电极的挡光而损失相当程度的光量。所谓的flipchip结构即是将常规的器件反置，并在p型电极上方制作反射率较高的反射层，借以将原先从器件上方发出的光线从器件其他的发光角度导出，而由蓝宝石基板端缘取光。这样的方法因为降低了在电极侧的光损耗，可有接近于常规封装方式两倍左右的光量输出。另一方面，因为覆晶结构可直接通过电极或是凸块与封装结构中的散热结构直接接触，从而大幅提升器件的散热效果，进一步提升器件的光量。文章来源：http://www.hai-dian.com/