分析:高辉度4元系LED芯片技术与制作方法

    前言

    最近几年发光二极管(led)的发光效率获得大幅改善，由于发光二极管具备低消费电力与长寿命特征，一般认为未来发光二极管可望成为次世代省能源照明光源。长久以来发光二极管的发展动向一直备受全球高度期待，特别是使用高发光效率InGaN系发光层的蓝光，以及使用绿光高输出LED，与4 元系AlGaInP发光层的黄光、橙光、红光的高辉度LED，顿时成为全球注目的焦点。
 
    目前这些发光效率超越传统荧光灯、白热灯泡的LED已经陆续商品化，同时还持续拓展市场规模与应用领域。接着本文要深入探讨广泛应用在各种领域的4元系AlGaInP红光LED芯片，高辉度技术与制作方法。
 
　　芯片特征
    LED芯片属于具备发光功能的二极管，它的外形尺寸大约只有0.2~1mm呈长方形。如图1(b)所示商品化LED是将LED芯片固定在封装基板与导线架上，铺设金线后再以透明树脂密封包覆。LED依照用途封装成炮弹型、正面、侧面出光表面型，以及考虑散热性的大电力用灯泡型等各种形状。

    LED芯片本身也有许多种类，依照封装组立方式的不同，LED芯片的结构也截然不同。此外LED芯片的尺寸必需根据使用电力选择。图1(a)是铜凸块(Bump)方式，使用覆晶(Flip Chip Type)LED的断面结构图。LED的特性取决于LED芯片的发光性能、封装后的取光效率、集光技术，因此芯片的高辉度化、封装的高性能化、芯片与封装的组合优化设计都非常重要。

   化合物半导体与发光波长

    图2是LED发光层材质与发光波长的关系，如图所示高辉度LED使用的InGaN系(紫外线~绿光)、AlGaInP系(黄绿光~红光)、AlGaAs系(红光~红外线)材料，都是高发光效率化合物半导体结晶，这些半导体材料依照发光层的结晶组成，决定LED的发光波长。

    图3是从结晶基板一直到LED芯片的制作流程，如图所示GaP多结晶使高纯度镓(Ga)与磷(P)原料，在高温、高压环境下反应形成GaP多结晶，接着将此高纯度多结晶的原料，在高温、高压环境下溶解，与种晶接触的同时一边旋转固化形成圆筒状GaP单结晶锭(Ingot)，最后经过裁切、定厚加工、研磨加工，制成单结晶镜面晶圆，一般LED用基板也是使用GaAs单结晶基板。

    高辉度AlGaInP芯片的制作，分别使用GaAs长晶基板与GaP与黏贴用透明基板，由于这些基板的载子浓度、转位密度、表面粗糙度，都会影响LED芯片的特性，因此必需作精密控制。接着在单结晶基板表面制作具备发光特性的单结晶多层膜，此制程又称作「磊晶(Epitaxial)」的单结晶长晶制程，会决定LED芯片的发光效率、发光波长、电气特性，因此必需透过已经长晶的化合物半导体层结构、结晶组成、载子浓度、膜厚的多层膜结构控制，形成具备发光功能的磊晶晶圆。磊晶的制作方法分成：厚膜法、适合量产的液相法、AlGaInP常用的薄膜法、适合制作多层膜的金属有机物化学气相沉积法(Metal OrganicChemical-Vapor Deposition; MOCVD)等等。
 
   组件化(芯片化)制程主要是在磊晶晶圆上，制作n型与p型奥姆电极，最后再将已经制作奥姆电极的晶圆，裁切成0.3×0.3mm一定大小，制成晶粒状LED芯片，此时为提高LED的辉度，组件化制程会采用各种独自开发的技术制作。

   AlGaInP LED芯片的高辉度化

    LED芯片的发光效率取决于发光层的光线取出效率，为提高内部量子效率，发光层的材质、结构、质量优化、发光层的均匀电流供给、防止发光层的温度上升，等细部设计非常重要，这意味着光线取出效率的提升，降低芯片内部光吸收、反射的光学设计与制作技术，成为关键性要因。接着依序介绍：(a)内部量子效率；(b)电流扩散；(c)发光层的温升等可以提升AlGaInP LED芯片的发光效率的技术动向。
 
　　内部量子效率

    提高内部量子效率，磊晶制程制成的发光层结构与结晶质量的控制非常重要。高辉度LED芯片的发光层结构， 大多利用相异半导体材料构成的异质(Hetero)接合，亦即利用半导体材料的能隙(Bandgap)差异提高发光效率。一般认定发光层薄膜、多层化的量子井结构， 与多重量子井结构(MQW: Multi Quantem WELl)的发光效率最高。
 
    为提高发光效率，要求可以精密控制经过优化设计的复杂多膜层长晶技术，虽然提高发光层的结晶质量，涉及量子井效率提升，不过基本上可以降低发光层不纯物与结晶缺陷技术，以及异质接合界面等高度磊晶制作技术，一直是研究的焦点。
 
　　电流扩散

    所谓电流扩散是指透过发光层结构与电极结构的设计，使电流扩散到芯片整体，藉此提供给发光层提高发光效率的技术。特别是AlGaInP LED芯片的磊晶层厚度很薄，从电极一直到发光层的厚度方向距离低于10μm，芯片的一边却是200μm以上电流不易扩散的形状，因此设计上必需考虑电极的布局、磊晶层的电气特性，才能促进电流扩散。
 
　　发光层的温升

    LED芯片使用的半导体材料，如果温度上升发光效率会下降。图4是一般发光二极管的施加电流与辉度的关系，由图可知实际LED芯片若与理想特性比较，高电流领域的辉度明显降低，主要原因施加电力会造成发光层的温度上升，内部量子效率则明显降低。

        降低发热量的最有效方法就是抑制施加电力，亦即减少LED芯片的顺向电压VF。如图1(a)所示覆晶结构是提高散热性，是抑制发光层的温度上升方法之一，基本上它是使发光层产生的高热从封装基板侧散热，由于LED芯片内部的发热，几乎都是发光层产生，因此散热特性取决于发光层到封装基板的热传导率。AlGaInP覆晶芯片则是将芯片翻转使用，它可以使发光层到封装基板的距离缩短至10μm以下，而且还能够以高热传导率金属连接于大面积封装基板，形成高散热性LED结构。

    AlGaInP LED芯片的高取光效率技术
    最近几年AlGaInP LED芯片的内部量子效率，随着设计、加工技术的改良，已经达到实用化水平，特别是将光线从LED片内部取至外部的取光技术，更是突飞猛进。由于LED的取光技术涉及芯片本身的光吸收与内部反射特性，因此接着要依序介绍：(a)光吸收；(b)内部反射等影响AlGaInP LED芯片的取光效率的技术动向。
 
　　光吸收

        图5是AlGaInP LED芯片的断面结构。AlGaInP是在格子整合的GaAs单结晶基板表面，利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术制作磊晶。由于GaAs基板对可视光呈不透明状，因此一般泛用AlGaInP LED芯片的断面结构，如图5(a)所示，朝发光层下方的光线会被GaAs基板吸收。

        图5(b)是利用黏贴GaP等透明基板，去除GaAs不透明基板，制作高辉度LED芯片的模型图，由于这种结构使用透明基板，因此芯片内部的光吸收大幅降低，可以从芯片上方、侧面有效取出光线。图5(c)是在基板与发光层之间设置高反射率反射镜(Mirror)，这种结构几乎所有发光都从芯片上方取出，非常适合轴上辉度，亦即芯片上方光量的高辉度化要求。
 
        利用以上技术降低光吸收的高辉度LED芯片，相较于传统泛用LED芯片，它可以实现3倍以上的高辉度化。
 
　　内部反射

        芯片内部的光线反射特性，根据光学领域有名的“Snell法则”可知，如果满足折射率相异界面发生的全反射条件时，光线会在芯片内部反射无法取至外部。

   AlGaInP LED系化合物半导体的折射率为3.5，密封LED芯片的环氧树脂与硅树脂的折射率为1.4~1.5，换句话说树脂与芯片界面，大约有2倍左右的折射率差，因此在界面会发生内部反射。将光线从芯片取至外部时，光线的入射角几乎与界面呈垂直状，为防止内部反射，光学设计必需作界面附近的光线的入射角控制。具体方法例如将芯片形状加工成具备多面体形状，或是将芯片表面制成凹凸状，等防止内部反射的改善技术。然而这些改善技术对外形尺寸低于1mm的LED芯片，加工上技术困难度却非常高。

         AlGaInP LED芯片的高辉度化技术重点共有3项，分别如下：提高发光层的内部量子效率、提高从从芯片内部取至外部的效率、高效率提供发光层电流的技术。
 
        图6是AlGaInP红光LED的高辉度化技术动向，如图所示LED基板从传统光线吸收基板进化到透明基板，加上业者已经针对LED基板，进行上述三大技术改善，其结果使得LED的辉度3年大约提高2倍，08年全球最高发光效率80lm/W的AlGaInP LED也因而正式商品化。上述高辉度AlGaInP LED的辉度是传统使用吸收基板AlGaInP系LED的10倍，今后可望在液晶背光照明模块车灯、照明、信号灯、植物培育等领域拓展市场规模。

  　　结语
    以上介绍4元系AlGaInP红光LED芯片高辉度技术与制作方法。发光二极管具备低消费电力与长寿命特征，长久以来它的发展动向一直备受全球高度期待，一般认为未来发光二极管可望成为次世代省能源照明光源。96年日亚化学的中村教授开发蓝光LED芯片，白光要求的R、G、B三种光源总算全步到齐，从此揭开白光半导体发光组件新纪元。