前言
最近幾年發(fā)光二極管(LED)的發(fā)光效率獲得大幅改善,，由于發(fā)光二極管具備低消費電力與長壽命特征，一般認為未來發(fā)光二極管可望成為次世代省能源照明光源,。長久以來發(fā)光二極管的發(fā)展動向一直備受全球高度期待,，特別是使用高發(fā)光效率InGaN系發(fā)光層的藍光，以及使用綠光高輸出LED,，與4 元系AlGaInP發(fā)光層的黃光,、橙光、紅光的高輝度LED,，頓時成為全球注目的焦點,。
目前這些發(fā)光效率超越傳統(tǒng)熒光燈、白熱燈泡的LED已經(jīng)陸續(xù)商品化,，同時還持續(xù)拓展市場規(guī)模與應用領域,。接著本文要深入探討廣泛應用在各種領域的4元系AlGaInP紅光LED芯片，高輝度技術與制作方法,。
芯片特征
LED芯片屬于具備發(fā)光功能的二極管,，它的外形尺寸大約只有0.2~1mm呈長方形。如圖1(b)所示商品化LED是將LED芯片固定在封裝基板與導線架上,，鋪設金線后再以透明樹脂密封包覆,。LED依照用途封裝成炮彈型、正面,、側面出光表面型,，以及考慮散熱性的大電力用燈泡型等各種形狀。
LED芯片本身也有許多種類,，依照封裝組立方式的不同,，LED芯片的結構也截然不同。此外LED芯片的尺寸必需根據(jù)使用電力選擇,。圖1(a)是銅凸塊(Bump)方式,，使用覆晶(Flip Chip Type)LED的斷面結構圖。LED的特性取決于LED芯片的發(fā)光性能,、封裝后的取光效率,、集光技術，因此芯片的高輝度化,、封裝的高性能化,、芯片與封裝的組合優(yōu)化設計都非常重要。
化合物半導體與發(fā)光波長
圖2是LED發(fā)光層材質與發(fā)光波長的關系,，如圖所示高輝度LED使用的InGaN系(紫外線~綠光),、AlGaInP系(黃綠光~紅光)、AlGaAs系(紅光~紅外線)材料,，都是高發(fā)光效率化合物半導體結晶,，這些半導體材料依照發(fā)光層的結晶組成,，決定LED的發(fā)光波長。
圖3是從結晶基板一直到LED芯片的制作流程,，如圖所示GaP多結晶使高純度鎵(Ga)與磷(P)原料,，在高溫、高壓環(huán)境下反應形成GaP多結晶,，接著將此高純度多結晶的原料,，在高溫、高壓環(huán)境下溶解,，與種晶接觸的同時一邊旋轉固化形成圓筒狀GaP單結晶錠(Ingot),，最后經(jīng)過裁切、定厚加工,、研磨加工,，制成單結晶鏡面晶圓，一般LED用基板也是使用GaAs單結晶基板,。
高輝度AlGaInP芯片的制作,，分別使用GaAs長晶基板與GaP與黏貼用透明基板，由于這些基板的載子濃度,、轉位密度,、表面粗糙度，都會影響LED芯片的特性,，因此必需作精密控制,。接著在單結晶基板表面制作具備發(fā)光特性的單結晶多層膜，此制程又稱作「磊晶(Epitaxial)」的單結晶長晶制程,，會決定LED芯片的發(fā)光效率,、發(fā)光波長、電氣特性,，因此必需透過已經(jīng)長晶的化合物半導體層結構,、結晶組成、載子濃度,、膜厚的多層膜結構控制,，形成具備發(fā)光功能的磊晶晶圓。磊晶的制作方法分成：厚膜法,、適合量產的液相法,、AlGaInP常用的薄膜法、適合制作多層膜的金屬有機物化學氣相沉積法(Metal Organic Chemical-Vapor Deposition; MOCVD)等等,。
組件化(芯片化)制程主要是在磊晶晶圓上,，制作n型與p型奧姆電極，最后再將已經(jīng)制作奧姆電極的晶圓,，裁切成0.3×0.3mm一定大小,，制成晶粒狀LED芯片，此時為提高LED的輝度,，組件化制程會采用各種獨自開發(fā)的技術制作,。
AlGaInP LED芯片的高輝度化
LED芯片的發(fā)光效率取決于發(fā)光層的光線取出效率，為提高內部量子效率,，發(fā)光層的材質,、結構、質量優(yōu)化,、發(fā)光層的均勻電流供給,、防止發(fā)光層的溫度上升，等細部設計非常重要,，這意味著光線取出效率的提升,，降低芯片內部光吸收、反射的光學設計與制作技術,，成為關鍵性要因,。接著依序介紹：(a)內部量子效率；(b)電流擴散,；(c)發(fā)光層的溫升等可以提升AlGaInP LED芯片的發(fā)光效率的技術動向,。
內部量子效率
提高內部量子效率，磊晶制程制成的發(fā)光層結構與結晶質量的控制非常重要,。高輝度LED芯片的發(fā)光層結構,， 大多利用相異半導體材料構成的異質(Hetero)接合，亦即利用半導體材料的能隙(Bandgap)差異提高發(fā)光效率,。一般認定發(fā)光層薄膜,、多層化的量子井結構， 與多重量子井結構(MQW: Multi Quantem Well)的發(fā)光效率最高,。
為提高發(fā)光效率,，要求可以精密控制經(jīng)過優(yōu)化設計的復雜多膜層長晶技術，雖然提高發(fā)光層的結晶質量,，涉及量子井效率提升,，不過基本上可以降低發(fā)光層不純物與結晶缺陷技術，以及異質接合界面等高度磊晶制作技術,，一直是研究的焦點,。
電流擴散
所謂電流擴散是指透過發(fā)光層結構與電極結構的設計，使電流擴散到芯片整體,，藉此提供給發(fā)光層提高發(fā)光效率的技術,。特別是AlGaInP LED芯片的磊晶層厚度很薄，從電極一直到發(fā)光層的厚度方向距離低于10μm,，芯片的一邊卻是200μm以上電流不易擴散的形狀,，因此設計上必需考慮電極的布局,、磊晶層的電氣特性，才能促進電流擴散,。
發(fā)光層的溫升
LED芯片使用的半導體材料,，如果溫度上升發(fā)光效率會下降。圖4是一般發(fā)光二極管的施加電流與輝度的關系,，由圖可知實際LED芯片若與理想特性比較,，高電流領域的輝度明顯降低，主要原因施加電力會造成發(fā)光層的溫度上升,，內部量子效率則明顯降低,。
降低發(fā)熱量的最有效方法就是抑制施加電力，亦即減少LED芯片的順向電壓VF,。如圖1(a)所示覆晶結構是提高散熱性,，是抑制發(fā)光層的溫度上升方法之一，基本上它是使發(fā)光層產生的高熱從封裝基板側散熱,，由于LED芯片內部的發(fā)熱,，幾乎都是發(fā)光層產生，因此散熱特性取決于發(fā)光層到封裝基板的熱傳導率,。AlGaInP覆晶芯片則是將芯片翻轉使用,，它可以使發(fā)光層到封裝基板的距離縮短至10μm以下，而且還能夠以高熱傳導率金屬連接于大面積封裝基板,，形成高散熱性LED結構,。
AlGaInP LED芯片的高取光效率技術
最近幾年AlGaInP LED芯片的內部量子效率，隨著設計,、加工技術的改良,，已經(jīng)達到實用化水平，特別是將光線從LED片內部取至外部的取光技術,，更是突飛猛進,。由于LED的取光技術涉及芯片本身的光吸收與內部反射特性，因此接著要依序介紹：(a)光吸收,；(b)內部反射等影響AlGaInP LED芯片的取光效率的技術動向,。
光吸收
圖5是AlGaInP LED芯片的斷面結構。AlGaInP是在格子整合的GaAs單結晶基板表面,，利用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)技術制作磊晶,。由于GaAs基板對可視光呈不透明狀，因此一般泛用AlGaInP LED芯片的斷面結構,，如圖5(a)所示,，朝發(fā)光層下方的光線會被GaAs基板吸收。
圖5(b)是利用黏貼GaP等透明基板，去除GaAs不透明基板,，制作高輝度LED芯片的模型圖,，由于這種結構使用透明基板，因此芯片內部的光吸收大幅降低,，可以從芯片上方,、側面有效取出光線,。圖5(c)是在基板與發(fā)光層之間設置高反射率反射鏡(Mirror),，這種結構幾乎所有發(fā)光都從芯片上方取出，非常適合軸上輝度,，亦即芯片上方光量的高輝度化要求,。
利用以上技術降低光吸收的高輝度LED芯片，相較于傳統(tǒng)泛用LED芯片,，它可以實現(xiàn)3倍以上的高輝度化,。
內部反射
芯片內部的光線反射特性，根據(jù)光學領域有名的“Snell法則”可知,，如果滿足折射率相異界面發(fā)生的全反射條件時,，光線會在芯片內部反射無法取至外部。
AlGaInP LED系化合物半導體的折射率為3.5,，密封LED芯片的環(huán)氧樹脂與硅樹脂的折射率為1.4~1.5,，換句話說樹脂與芯片界面，大約有2倍左右的折射率差,，因此在界面會發(fā)生內部反射,。將光線從芯片取至外部時，光線的入射角幾乎與界面呈垂直狀,，為防止內部反射,，光學設計必需作界面附近的光線的入射角控制。具體方法例如將芯片形狀加工成具備多面體形狀,，或是將芯片表面制成凹凸狀,，等防止內部反射的改善技術。然而這些改善技術對外形尺寸低于1mm的LED芯片,，加工上技術困難度卻非常高,。
AlGaInP LED芯片的高輝度化技術重點共有3項，分別如下：提高發(fā)光層的內部量子效率,、提高從從芯片內部取至外部的效率,、高效率提供發(fā)光層電流的技術。
圖6是AlGaInP紅光LED的高輝度化技術動向,，如圖所示LED基板從傳統(tǒng)光線吸收基板進化到透明基板,，加上業(yè)者已經(jīng)針對LED基板，進行上述三大技術改善，其結果使得LED的輝度3年大約提高2倍,，08年全球最高發(fā)光效率80lm/W的AlGaInP LED也因而正式商品化,。上述高輝度AlGaInP LED的輝度是傳統(tǒng)使用吸收基板AlGaInP系LED的10倍，今后可望在液晶背光照明模塊車燈,、照明,、信號燈、植物培育等領域拓展市場規(guī)模,。
結語
以上介紹4元系AlGaInP紅光LED芯片高輝度技術與制作方法,。發(fā)光二極管具備低消費電力與長壽命特征，長久以來它的發(fā)展動向一直備受全球高度期待,，一般認為未來發(fā)光二極管可望成為次世代省能源照明光源,。96年日亞化學的中村教授開發(fā)藍光LED芯片，白光要求的R,、G,、B三種光源總算全步到齊，從此揭開白光半導體發(fā)光組件新紀元,。