大功率LED的市場的使用率正在擴大。在工業(yè)照明應用中使用這些設備，會帶來高效率。正是因為效率越高，散熱就越低，最終，熱管理就越簡單、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的優(yōu)勢，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。
能夠生產高效率設備的另一個優(yōu)點是，如果它們也具有可靠性，那么它們可以在汽車大燈領域挑戰(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，這些設備的許多制造商日子煎熬。
提取光子
一個高效LED的關鍵要求之一是提取其中生成的大部分光子。實現這一點很重要，因為GaN的折射率遠遠高于空氣的折射率，導致大多數光子因全內反射而被困在器件內部。
克服這個問題的常用方法是在圖案化藍寶石上生產器件。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里面。通過這個過程，掩模逐漸侵蝕，出現圓頂形表面。 如果想要錐體，則可以通過調節(jié)蝕刻條件來形成。
當光傳播通過在圖案化藍寶石襯底上形成的LED時，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，折射率出現最大的差異，這出現在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比度腔體結構融入到LED里。這種結構是成功的，可以增加光提取，但到目前為止，還沒有關于在LED行業(yè)內使用生產級、成腔工藝的報告。
對腔體式LED做出了重大貢獻的其中一個研究小組是韓國首爾國立大學的Euijoon Yoon和同事組成的團隊。他們花了幾年的時間用中空二氧化硅納米球形成的納米級腔體制作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中的壓應力減少，他們減少了翹曲度。這意味著更薄的藍寶石晶片可以用于LED制造，削減生產成本。
然而，仍有改進的空間。由于中空腔的密度低以及位置的隨機性，光提取的增加并不高。必須解決這些缺點，以便為LED生產創(chuàng)造出更好、更可靠的空腔成型工藝。
從實驗室到工廠
下面將介紹的是韓國的Hexa Solution公司是如何解決這些問題的，他們的核心技術是腔體藍寶石襯底。韓國的兩個研究機構進行了一項可行性研究，實驗室規(guī)模生產表明，結合空腔設計的藍寶石襯底的LED比圖案化藍寶石襯底的LED要好。
他們生產腔體式藍寶石襯底的工藝是很穩(wěn)健的，并且是可擴展的(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的形狀。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行原子層沉積。氧化鋁部分覆蓋藍寶石，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行完全結晶，使其變成藍寶石。這大大簡化了隨后的GaN生長。
下一步是在氧化氣氛中進行熱處理。這可以將氧通過多孔氧化鋁層進行內擴散，將氧化副產物向外擴散，得到的結果就是圓頂形腔。
同時，無定形氧化鋁變成完全結晶，從藍寶石接觸區(qū)域開始，在光致抗蝕劑的圓頂頂部完成。該方法的一個好處就是無定形氧化鋁的結晶相是藍寶石。因此，由于氧化鋁在熱處理期間結晶成藍寶石，所以不需要額外的加工步驟來暴露藍寶石種子層并開始GaN生長(參見圖2)。
圖2. 掃描電子顯微鏡顯示GaN生長后形成的六角形圓頂嵌入腔。
這種腔體式襯底的巨大優(yōu)勢是它們獨特的光學性能。它們產生強烈的干擾，導致肉眼可以看到一系列顏色。與圖案藍寶石相比，由于腔的強衍射，在白熾燈和熒光照明下會產生更生動的干涉色(見圖3)。
圖3. 與圖案化藍寶石相比，腔體式藍寶石中的衍射更強，在照明下出現更亮的顏色。
此外，透射實驗表明，腔體式藍寶石在寬波長范圍內產生的透射率比圖案化藍寶石更高。
時域有限差分模擬顯示，高折射率對比度腔與即將到來的平面波相互作用非常強烈。結果顯示，空腔在改變光的傳播方向是有效的(見圖4)。
圖4. 時域有限差分模擬顯示，在空腔式藍寶石中的散射要比圖案化藍寶石更強。在模擬中，使用入射角為0°(頂部)和45°(底部)的平面波。
空氣腔體的另一個結果是它作為對平面波的光學干擾，在結構內部和外部造成顯著的相位變形。根據惠更斯的原理，嵌入式空氣腔陣列能夠從LED中提取更多的光，因為每個單獨的空氣腔會產生強烈的次級波。LED內部產生的光與高折射率對比度腔體陣列相互作用強烈，因此，與傳統(tǒng)器件中的全內反射相比，光離開了芯片，或者換句話說，光是衍射的(參見圖5)。
圖5. 時域有限差分模擬顯示，腔體式藍寶石的LED在提取光線方面比使用圖案化藍寶石襯底的更有效。
性能驗證
為了展示腔體式藍寶石的LED的卓越性能，并且與圖案化藍寶石上形成的LED相比，研究人員在MOCVD反應器中同時在兩種類型的基板上生產設備。之后，同時加工兩種晶片，生產出尺寸為1075μm * 750μm的大面積、橫向型藍色發(fā)光InGaN / GaN LED。
兩種藍寶石的特征有顯著差異?？涨皇剿{寶石包含高1.5μm、直徑2.4μm的半球，而圖案藍寶石上的錐體高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，采用腔體式藍寶石技術。
使用標準積分球測量光功率，LED在腔體式藍寶石上產生的功率通常明顯高于在圖案化藍寶石上產生的功率(見圖7)。采集以240mA驅動的單個LED芯片的光譜顯示，在腔體式藍寶石上生產的那些LED芯片在468nm處提供峰值發(fā)射，并且產生的光學功率比圖案化藍寶石上形成的LED高40%。在腔體式藍寶石上生產的LED發(fā)射主波長為456nm和462nm，表現也超過圖案化藍寶石上形成的LED，但幅度較小(見圖8)。
圖7. 使用空腔式藍寶石和圖案化藍寶石技術生產的LED的光功率分布。
圖8. 使用腔體式藍寶石的LED在456nm、462nm和468nm的三個主要波長處產生的功率大于圖案化藍寶石上形成的LED。
這種腔體技術的一大優(yōu)點是，襯底的表面完全由藍寶石制成。 這意味著與MOCVD生長相關的化學反應與平面和圖案化藍寶石的化學反應相同。雖然可能需要稍微調整生長溫度來優(yōu)化器件性能，但是采用該技術不需要對生產工藝進行重大改變。
與圖案化藍寶石制成的LED相比，價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寶石相對昂貴，這是由于藍寶石硬度硬，在苛刻條件下需要長時間的蝕刻時間。更糟糕的是，圖案化藍寶石的產量不能令人滿意。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一批空腔式藍寶石襯底。
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