硅基GaNLED及光萃取技術(shù)實現(xiàn)高性價比照明

1、硅基GaN LED及光萃取技術(shù)實現(xiàn)高性價比照明來源：電子技術(shù)設(shè)計 時間：2013-08-23 【字體：大 中 小】傳統(tǒng)的氮化鎵（GaN）LED元件通常以藍(lán)寶石或碳化硅（SiC）為襯底，因為這兩種材料與GaN的晶格匹配度較好，襯底常用尺寸為2或4。業(yè)界一直在致力于用供應(yīng)更為豐富的硅晶圓（6或更大）來發(fā)展GaN，因為硅襯底可顯著降低成本，而且可以在自動化IC生產(chǎn)線上制造。據(jù)合理估計，相較于傳統(tǒng)技術(shù)，這種襯底可節(jié)省80%的成本。但是，硅襯底的問題在于與GaN之間在機械和熱力方面嚴(yán)重不匹配，這會導(dǎo)致構(gòu)成LED元件的晶圓出現(xiàn)嚴(yán)重翹曲和晶體材料質(zhì)量變差?，F(xiàn)在，劍橋大學(xué)衍生公司CamGan（2012年被Pl

2、essey收購）的硅基GaN技術(shù)已解決了此類不匹配問題，且已成功應(yīng)用于其位于英國普利茅斯的晶圓加工廠。由此，業(yè)界首款低成本、入門級別的商用硅基GaN LED現(xiàn)正處于上市階段。初級產(chǎn)品主要面向指示燈和重點照明市場，其光效為30-40lm/W，今年三、四季度將會推出70 lm/W的產(chǎn)品，供應(yīng)給更多通用照明市場。圖1：垂直LED生產(chǎn)流程圖。GaN on Si Growth：硅基氮化鎵生長Mirror layer added：增設(shè)的鏡像圖層Wafer：使用晶圓Flip bonded wafer：倒裝鍵合晶片Substrate removal：襯底去除Metallisation and surface

3、texturing：噴涂金屬層和表面紋理采用硅襯底生產(chǎn)LED需要一些工藝步驟來克服架構(gòu)中固有的硅材料吸收光問題并制造出高效的元件。在晶圓加工工藝中（如圖1所示），在GaN架構(gòu)（基于6的硅晶圓，通過MOCVD生長）上設(shè)計一個垂直LED元件。緊接著沉積并粘附上一個高反射性觸點（反射率通常為95%），然后制作一些金屬層，以將晶圓粘貼至替換襯底上。接著是焊線，在鑄造焊接層時，采用導(dǎo)電和導(dǎo)熱易熔金錫層（重熔點溫度約為280）與其他金屬層一起，以作為焊接金屬和元件或替代品之間的載體。焊線完成后，去除親本晶圓，將用于GaN層外延生長的晶種層露出來。翻轉(zhuǎn)晶圓進(jìn)行下一步的LED元件圖案化處理。在晶圓上將金屬涂層

4、圖案化，并置于阻擋層之上，使發(fā)光區(qū)覆蓋量最小化。大部分電流會由頂部金屬（通常為2m）傳送。最后，進(jìn)行光萃取圖案化，蝕刻到GaN層（曝露在焊線后面）內(nèi)，去除親本晶圓。最后一步對于遠(yuǎn)程熒光粉應(yīng)用特別關(guān)鍵，因為它可實現(xiàn)藍(lán)光LED的發(fā)光圖案控制。由于GaN半導(dǎo)體的反射指數(shù)很高（445nm藍(lán)光的反射指數(shù)約為2.45），因此只有很少的光逃逸到自由空間。根據(jù)Snell法則，其窄光逃逸錐大概為25。若我們假定半導(dǎo)體內(nèi)部發(fā)的光有一致的空間分布，并且反射鏡反射指數(shù)大于90%，那么只有8%的總體光線可以從半導(dǎo)體頂部表面逃逸出去，其他的被全內(nèi)反射限于內(nèi)部，并最終被組分材料吸收。為改進(jìn)光萃取，采用了一個包含將半導(dǎo)體耦合

5、至一個大的穹形透鏡（其半徑比半導(dǎo)體發(fā)光區(qū)尺寸大1.5倍）的簡單設(shè)計方案。理想情況下，穹形透鏡應(yīng)由反射指數(shù)（n2.45）跟GaN近似的材料做成，這使得超過90%的光逃逸至自由空間。但實際上，不存在與GaN反射指數(shù)匹配且具有高成本效益、可做成穹形透鏡的材料，因此LED制造商們通常轉(zhuǎn)而使用容易獲得的反射指數(shù)為1.5左右的環(huán)氧膠或硅材料。不過，添加反射指數(shù)為1.5的穹形透鏡，僅使光萃取率達(dá)到12%。為克服因全內(nèi)反射所導(dǎo)致的弱光萃取性能，有必要優(yōu)化光線的光學(xué)路徑，以增加其出現(xiàn)在逃逸錐內(nèi)的可能性。大部分傳統(tǒng)高成本效益的高效光萃取方式基于表面粗糙度技術(shù)而確定。這種表面技術(shù)極為關(guān)鍵，因為它限定LED元件最終光

6、線有角度的發(fā)出。這非常適用于遠(yuǎn)程熒光粉應(yīng)用，尤其可實現(xiàn)藍(lán)光LED發(fā)光圖案控制。其他方式的圖案化反射器被用于散射光線，可進(jìn)一步改進(jìn)光萃取。在本質(zhì)上類似的微架構(gòu)中，諸如螢火蟲，螢火蟲內(nèi)部架構(gòu)的鋸齒狀可增強發(fā)光強度。大多數(shù)LED會在一個空間格局內(nèi)發(fā)射光，且其中光的強度隨出射角余弦值的變化而變化，呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)的朗博分布。當(dāng)這些標(biāo)準(zhǔn)LED用在一個數(shù)組中以形成照明配線盤時，光的傳播就會形成一些不在期望范圍內(nèi)的異常發(fā)光點圖案（如圖2所示），我們將其稱為“熱點”。在圖2中，LED的亮度一直保持在較低水平，以幫助說明這一問題。圖2：現(xiàn)有的照明配線盤示例。為萃取光線并形成更加均勻的空間格局，為消費者呈現(xiàn)更加美觀的效

7、果，LED發(fā)出的光線不應(yīng)呈朗博分布，而是呈蝙蝠翼狀分布。這樣，光照就可以達(dá)到更廣的邊側(cè)區(qū)域，從而最大限度地提高熒光粉的泵送效率，并通過改進(jìn)的藍(lán)光轉(zhuǎn)換來降低損失。實現(xiàn)這一目標(biāo)后，配備了這種照明配線盤的LED之間的間距可以設(shè)置地更大，最終降低所需燈具系統(tǒng)的整體生產(chǎn)成本。據(jù)估計，該光路萃取工程可節(jié)約10%的能源，若所需LED的數(shù)量減少，還可節(jié)約裝配成本。而LED數(shù)量是否減少將取決于所產(chǎn)生的光強度圖案的電平。若LED數(shù)量減半，則可在光線呈良好蝙蝠翼狀分布的同時，維持或改進(jìn)熒光粉中的亮度變化。光路設(shè)計可以通過細(xì)致的表面圖案化和壓印來完成，在設(shè)計過程中使用了電腦仿真技術(shù)，以達(dá)到優(yōu)化空間布局和光萃取的目的。將低成本硅基GaN技術(shù)與LED設(shè)計方案中的光萃取技術(shù)相結(jié)合，就有可能利用最佳的低功率LED陣列配置設(shè)計出高成本效益的防眩光燈具?！爸悄苷彰飨到y(tǒng)”將繼續(xù)把LE