大功率LED的市場(chǎng)的使用率正在擴(kuò)大。在工業(yè)照明應(yīng)用中使用這些設(shè)備，會(huì)帶來高效率。正是因?yàn)樾试礁?，散熱就越低，最終，熱管理就越簡(jiǎn)單、便宜。
鑒于LED行業(yè)的狀況，所以許多芯片制造商正在努力提高設(shè)備的效率，并且在大電力行業(yè)中獲得了更多的成功和更大的利潤空間。即使這些設(shè)備制造商只比同行高出百分之幾的效率，但是這將給他們帶來相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，他們可以有很大的利潤空間，其中很大一部分來自高端LED芯片的生產(chǎn)。
能夠生產(chǎn)高效率設(shè)備的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，如果它們也具有可靠性，那么它們可以在汽車大燈領(lǐng)域挑戰(zhàn)成功。但是，它們沒有取得成功的地方卻在一般照明。在一般照明中，大量使用中低效LED，這些設(shè)備的許多制造商日子煎熬。
提取光子
一個(gè)高效LED的關(guān)鍵要求之一是提取其中生成的大部分光子。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)很重要，因?yàn)镚aN的折射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空氣的折射率，導(dǎo)致大多數(shù)光子因全內(nèi)反射而被困在器件內(nèi)部。
克服這個(gè)問題的常用方法是在圖案化藍(lán)寶石上生產(chǎn)器件。波紋表面可以在許多方向上散射光子，增加了光從芯片逸出的可能性。
這些基板是這樣形成的：采用一塊平面藍(lán)寶石，用光致抗蝕劑掩模和電感耦合等離子體將圖案蝕刻進(jìn)里面。通過這個(gè)過程，掩模逐漸侵蝕，出現(xiàn)圓頂形表面。 如果想要錐體，則可以通過調(diào)節(jié)蝕刻條件來形成。
當(dāng)光傳播通過在圖案化藍(lán)寶石襯底上形成的LED時(shí)，由于折射率的差異，光被反射和衍射。光的傳播在界面處發(fā)生最大的變化，折射率出現(xiàn)最大的差異，這出現(xiàn)在GaN和空氣之間的邊界處。因此，許多研究小組試圖將高折射率對(duì)比度腔體結(jié)構(gòu)融入到LED里。這種結(jié)構(gòu)是成功的，可以增加光提取，但到目前為止，還沒有關(guān)于在LED行業(yè)內(nèi)使用生產(chǎn)級(jí)、成腔工藝的報(bào)告。
對(duì)腔體式LED做出了重大貢獻(xiàn)的其中一個(gè)研究小組是韓國首爾國立大學(xué)的Euijoon Yoon和同事組成的團(tuán)隊(duì)。他們花了幾年的時(shí)間用中空二氧化硅納米球形成的納米級(jí)腔體制作LED，通過在LED中引入腔體來增加光提取。此外，由于腔周圍的GaN中的壓應(yīng)力減少，他們減少了翹曲度。這意味著更薄的藍(lán)寶石晶片可以用于LED制造，削減生產(chǎn)成本。
然而，仍有改進(jìn)的空間。由于中空腔的密度低以及位置的隨機(jī)性，光提取的增加并不高。必須解決這些缺點(diǎn)，以便為L(zhǎng)ED生產(chǎn)創(chuàng)造出更好、更可靠的空腔成型工藝。
從實(shí)驗(yàn)室到工廠
下面將介紹的是韓國的Hexa Solution公司是如何解決這些問題的，他們的核心技術(shù)是腔體藍(lán)寶石襯底。韓國的兩個(gè)研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一項(xiàng)可行性研究，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模生產(chǎn)表明，結(jié)合空腔設(shè)計(jì)的藍(lán)寶石襯底的LED比圖案化藍(lán)寶石襯底的LED要好。
他們生產(chǎn)腔體式藍(lán)寶石襯底的工藝是很穩(wěn)健的，并且是可擴(kuò)展的(見圖1)。該工藝從光致抗蝕劑圖案開始，通過回流工藝先將圓柱形光致抗蝕劑制成圓頂?shù)男螤?。隨后，在所有暴露的表面上以120℃的溫度將80nm厚的無定形氧化鋁層進(jìn)行原子層沉積。氧化鋁部分覆蓋藍(lán)寶石，部分覆蓋光致抗蝕劑。
圖1. 用于形成腔體式襯底的制造工藝包括將無定形氧化鋁進(jìn)行完全結(jié)晶，使其變成藍(lán)寶石。這大大簡(jiǎn)化了隨后的GaN生長(zhǎng)。
下一步是在氧化氣氛中進(jìn)行熱處理。這可以將氧通過多孔氧化鋁層進(jìn)行內(nèi)擴(kuò)散，將氧化副產(chǎn)物向外擴(kuò)散，得到的結(jié)果就是圓頂形腔。
同時(shí)，無定形氧化鋁變成完全結(jié)晶，從藍(lán)寶石接觸區(qū)域開始，在光致抗蝕劑的圓頂頂部完成。該方法的一個(gè)好處就是無定形氧化鋁的結(jié)晶相是藍(lán)寶石。因此，由于氧化鋁在熱處理期間結(jié)晶成藍(lán)寶石，所以不需要額外的加工步驟來暴露藍(lán)寶石種子層并開始GaN生長(zhǎng)(參見圖2)。
圖2. 掃描電子顯微鏡顯示GaN生長(zhǎng)后形成的六角形圓頂嵌入腔。
這種腔體式襯底的巨大優(yōu)勢(shì)是它們獨(dú)特的光學(xué)性能。它們產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾，導(dǎo)致肉眼可以看到一系列顏色。與圖案藍(lán)寶石相比，由于腔的強(qiáng)衍射，在白熾燈和熒光照明下會(huì)產(chǎn)生更生動(dòng)的干涉色(見圖3)。
圖3. 與圖案化藍(lán)寶石相比，腔體式藍(lán)寶石中的衍射更強(qiáng)，在照明下出現(xiàn)更亮的顏色。
此外，透射實(shí)驗(yàn)表明，腔體式藍(lán)寶石在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)產(chǎn)生的透射率比圖案化藍(lán)寶石更高。
時(shí)域有限差分模擬顯示，高折射率對(duì)比度腔與即將到來的平面波相互作用非常強(qiáng)烈。結(jié)果顯示，空腔在改變光的傳播方向是有效的(見圖4)。
圖4. 時(shí)域有限差分模擬顯示，在空腔式藍(lán)寶石中的散射要比圖案化藍(lán)寶石更強(qiáng)。在模擬中，使用入射角為0°(頂部)和45°(底部)的平面波。
空氣腔體的另一個(gè)結(jié)果是它作為對(duì)平面波的光學(xué)干擾，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外部造成顯著的相位變形。根據(jù)惠更斯的原理，嵌入式空氣腔陣列能夠從LED中提取更多的光，因?yàn)槊總€(gè)單獨(dú)的空氣腔會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的次級(jí)波。LED內(nèi)部產(chǎn)生的光與高折射率對(duì)比度腔體陣列相互作用強(qiáng)烈，因此，與傳統(tǒng)器件中的全內(nèi)反射相比，光離開了芯片，或者換句話說，光是衍射的(參見圖5)。
圖5. 時(shí)域有限差分模擬顯示，腔體式藍(lán)寶石的LED在提取光線方面比使用圖案化藍(lán)寶石襯底的更有效。
性能驗(yàn)證
為了展示腔體式藍(lán)寶石的LED的卓越性能，并且與圖案化藍(lán)寶石上形成的LED相比，研究人員在MOCVD反應(yīng)器中同時(shí)在兩種類型的基板上生產(chǎn)設(shè)備。之后，同時(shí)加工兩種晶片，生產(chǎn)出尺寸為1075μm * 750μm的大面積、橫向型藍(lán)色發(fā)光InGaN / GaN LED。
兩種藍(lán)寶石的特征有顯著差異?？涨皇剿{(lán)寶石包含高1.5μm、直徑2.4μm的半球，而圖案藍(lán)寶石上的錐體高1.7μm、直徑2.7μm。從這些晶片中切割LED芯片(見圖6)，單個(gè)芯片安裝在相同的封裝上。
圖6. 橫向型LED，尺寸為1075μm * 750μm，采用腔體式藍(lán)寶石技術(shù)。
使用標(biāo)準(zhǔn)積分球測(cè)量光功率，LED在腔體式藍(lán)寶石上產(chǎn)生的功率通常明顯高于在圖案化藍(lán)寶石上產(chǎn)生的功率(見圖7)。采集以240mA驅(qū)動(dòng)的單個(gè)LED芯片的光譜顯示，在腔體式藍(lán)寶石上生產(chǎn)的那些LED芯片在468nm處提供峰值發(fā)射，并且產(chǎn)生的光學(xué)功率比圖案化藍(lán)寶石上形成的LED高40%。在腔體式藍(lán)寶石上生產(chǎn)的LED發(fā)射主波長(zhǎng)為456nm和462nm，表現(xiàn)也超過圖案化藍(lán)寶石上形成的LED，但幅度較小(見圖8)。
圖7. 使用空腔式藍(lán)寶石和圖案化藍(lán)寶石技術(shù)生產(chǎn)的LED的光功率分布。
圖8. 使用腔體式藍(lán)寶石的LED在456nm、462nm和468nm的三個(gè)主要波長(zhǎng)處產(chǎn)生的功率大于圖案化藍(lán)寶石上形成的LED。
這種腔體技術(shù)的一大優(yōu)點(diǎn)是，襯底的表面完全由藍(lán)寶石制成。 這意味著與MOCVD生長(zhǎng)相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)與平面和圖案化藍(lán)寶石的化學(xué)反應(yīng)相同。雖然可能需要稍微調(diào)整生長(zhǎng)溫度來優(yōu)化器件性能，但是采用該技術(shù)不需要對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行重大改變。
與圖案化藍(lán)寶石制成的LED相比，價(jià)格較低源自較低成本的工藝。通過等離子體蝕刻形成的圖案化藍(lán)寶石相對(duì)昂貴，這是由于藍(lán)寶石硬度硬，在苛刻條件下需要長(zhǎng)時(shí)間的蝕刻時(shí)間。更糟糕的是，圖案化藍(lán)寶石的產(chǎn)量不能令人滿意。相比之下，可以使用更穩(wěn)定、更便宜的原子層沉積工藝和熱處理來批量生產(chǎn)一批空腔式藍(lán)寶石襯底。
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