提高红光LED芯片的发光效率.doc

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1、提高红光LED芯片的发光效率的重要途径是衬底反转及表面粗化。我们在衬底反转的基础上，对N型AlGaInP用湿法腐蚀的方法形成了三角结构粗糙表面。粗化的表面可减少光在AlGaInP材料内部的多次反射，使光线从内部折射出来，从而提高出光效率。制备的大功率40ml红光LED芯片发光效率达到了60lm/W以上。　　一、介绍　　AlGaInP材料可以制造光谱范围从红光到黄绿光的高性能LED，被应用在很多方面，包括汽车灯、交通灯、彩色显示、信号显示和广告牌等。近些年随着对外延材料的研究，AlGaInPLED内量子效率接近100%。然而，由于四元外延材料的折射率

2、与空气相差很大，到目前为止外量子效率依然很低。大约有1/(4n2)的光从芯片内部逃逸出来(n为半导体材料的折射率)，因此增大光的外量子效率起着非常关键的作用。为了提高出光效率，人们展开了大量研究，比较成功的方法包括将芯片做成倒金字塔型、锥形。(如图1所示)Krames等将AlGaInPLED制作成倒金字塔(TruncatedInvertedPyramid,TIP)形状(侧面与垂直方向成35度角)。芯片的四个侧面不再是相互平行，可以使得射到芯片侧面的光，经侧面的反射到顶面，以小于临界角的角度出射;同时，射到顶面大于临界角的光可以从侧面出射，从而大大提

3、高了芯片的出光效率。　　图1倒金字塔形LED　　另外一种方法是在芯片内部掩埋微反射镜以及表面粗糙化，LED表面粗糙化技术可以明显提高光提取效率。但是以前研究的粗化表面的方法非常复杂，比如在表面印刷特定图案或用聚苯乙烯球或金属团作为掩模版进行干法刻蚀。不恰当的表面形貌不仅不会提高光提取效率，反而会破坏材料的电学或光学性质。经过大量试验，形成了一种简单、经济、易行的表面粗化工艺。　　本文对超高亮度红光LED芯片的制作做了介绍。通过倒装、键合、全角反射镜、表面粗化等关键技术，制备的大功率40mil红光LED芯片发光效率达到63lm/W，平均亮度超过110

4、00mcd。　　二、功率型AlGaInP红光LED制作　　通过低压MOCVD在(100)GaAs衬底上生长的AlGaInPLED结构，包括n型表面粗化层、n型限制层、多量子阱非掺杂有源区、p型限制层、p型GaP窗口层。利用晶片键合技术将LED结构和支撑衬底键合在一起。然后制作N型电极，并对芯片表面进行湿法腐蚀，形成粗化表面，增加光出射面积。最后在支撑衬底背面制作P型电极。将经过表面处理的晶片制作成1mm×1mm的芯片，测试并对比其表面粗化前后光电性能变化。　　图2AlGaInPLEDn型表面粗化的AFM图像　　图3AlGaInPLED表面未粗化与粗

5、化EL谱　　图2给出了粗化n型表面的AFM图像。由图看到粗化形成了簇状的三角结构形貌，表面均方根粗糙度达到了67nm。图3为LED芯片表面未粗化与粗化样品的EL谱。从图上可以看到未粗化LED表面是多峰发射，这是由于从有源区发出的光至空气界面时，部分光的入射角大于临界角，就会在反射镜和空气界面之间的AlGaInP腔内发生多次全反射，产生光的干涉，从而形成多个峰型。粗化的LED表面没有发现这种现象。另外它的EL强度比未粗化的LED样品大约强69%，表明粗化的LED表面可以有效的使光散射，减弱光在AlGaInP材料内部的多次反射、折射及吸收，提高光的输出

6、功率。　　三、测试结果　　制作的40mil管芯平均亮度在11000mcd以上，波长624nm，亮度晶圆图如图4所示，350mA下光效63lm/W，如图5。 　　　　　图6老化时间与光效曲线　超高亮度AlGaInP红光LED芯片产品非常可靠，室温下对它们进行3000小时的老化测试，如图6，结果看到光效几乎没有变化，具有非常稳定的光输出。　　四、结论　　反极性粗化表面AlGaInP红光LED芯片大大提高出光效率，而且由于支撑衬底机械强度高，热导率高，可大幅度改善产品的高温特性，提高产品可靠性，在大功率应用方面存在着其它类型LED无法比拟的优势。反极性镜

7、面高亮度LED的研制成功和规模化生产，是一条获得低成本、高稳定性，可在大功率下应用的高亮度发光二极管的有效途径。