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改善红光LED提取效率的创新技术

2009-07-17 16:49
FlappyBird
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    作者:陈泽澎、谢明勋/ 晶元光电

 对目前的红光LED来说,拥有更好的提取效率已经不是不可能的事了,这是由于拥有特殊设计的穿透和反射层的原因,该产品已于晶元光电的两条产品在线开发完成。

 目前许多以 AlGaInP 为基材的 LED 大部分被用来提供作为交通信号和汽车刹车灯的红色光源。然而,此类型的器件如果每单位流明成本更低廉的话,将可以更成功的应用于商品化的产品。例如投影机、液晶电视的背光源以及色温调变装置等。

 降低每单位流明成本的方法可以使用新技术提高 LDE 的效率,例如改善成长的条件或器件制程的方式,将此器件的内部量子效率提高至理论极限,如此便能提高 LED 器件的发光提取效率。

 目前已经有许多的技术朝向此目标进行开发研究,但是没有一个是合适的。加入分布式布拉格反射器 (distributed Bragg reflector, DBR) 于 LED 中用来降低光源在 GaAs 基板上的吸收,但是反射光源在倾斜入射角度的效率相对低,这是因为明显的光学损失所造成的。改善的方式可以取代该基板替换成可穿透的基材,例如蓝宝石或 GaP,但是依旧还是有缺点,这是因为这些方式并无法释放出有效的热传功率系数,仍须使用最大的驱动电流和流明输出值。不过,表面的型态依旧能增加光的输出,但是若利用传统的化学刻蚀技术则不容易控制边界和刻蚀范围。

 热传导问题最近使用一种新的方式,通过取向附生层的转换来通电与热传导基板。然而,即便使用此种先进的方式,光学效率在许多商品化的 620 nm 波长的 LED 仅仅只有 50 lm/W。这意味着高亮度的 LED 的产生来自于多种不同的技术结合而成,如此便无法满足客户对效率的期望。

  无论如何,在台湾的晶元光电股份有限公司,我们拥有尚未公开发表的新系列 AlGaInP LED,该产品能产生远大于目前技术的效率。针对这些产品,我们将其命名为P和A系列(虽然他们最初是分别被命名为凤凰和宝瓶 LED)。主要的特色在于光的激发效率最少为 50% ,这一切都要归功于额外的多层膜结构的波形表面型态以及不同等级的反射系数。更重要的是,我们使用原有的设备便可从事制造,并且量能满载。

 我们称此专利的的多层膜结构为“朗伯穿透和反射膜层”,因为他们是依循 Johann Heinrich Lambert 的余弦散射定律。这些结构的反射或发散在垂直于表面的方向拥有极大的强度,在最倾斜的角度则强度最弱(请见图一的定义)


图一:(a) Lambertian穿透面在垂直于该表面时会拥有最大的穿透率(透光强度与 cos[θ] 成正比,θ表示从基板平面到垂直位置间的角度),本图箭头的长度表示光源的强度。(b) Lambertian反射面产生相同强度的分布,晶元光电已经确认过Lambertian本身的传输特性 (c) 和反射器。(d) 入射光束的角度θ为0°、30°和 60°,而观测的角度从5°到80°之间。

 我们的 P-系列和 A-系列的 LED 特色,为 Lambertian 的发射和反射分别在器件的上方和下层。发射器释放出来的光绝大部分都往正前方前进,仅仅有非常少部分的的光线会返回到器件里面,这些有可能被量子所吸收。同时,反射器会经由特定角度,将绝大部分的光源导向基板返回器件,以避免芯片内部的多重反射发生。

 我们制作我们的 P-系列芯片是通过 GaP 表面的 Lambertian 反射器所创造出来的,此乃 AlGaInP 在 GaAs 取向附生层的最上层(图二a)。在 GaAs 被移除之前,此晶圆先与硅结合。接着我们刻蚀掉 n-type 电镀层而形成 Lambertian 反射器,并明确界定黄金 p-type 与硅基板的背面互相接触。晶圆的问题如下,在器件被结合之前,晶圆会先切成独立的芯片。

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