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硅基GaN LED及光萃取技术实现高性价比照明

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硅基GaN LED及光萃取技术实现高性价比照明
来源：电子技术设计　 时间：2013-08-23　 【字体：大 中 小】
　　传统的氮化镓（GaN）LED元件通常以蓝宝石或碳化硅（SiC）为衬底，因为这两种材料与GaN的晶格匹配度较好，衬底常用尺寸为2"或4"。业界一直在致力于用供应更为丰富的硅晶圆（6"或更大）来发展GaN，因为硅衬底可显著降低成本，而且可以在自动化IC生产线上制造。据合理估计，相较于传统技术，这种衬底可节省80%的成本。
　　但是，硅衬底的问题在于与GaN之间在机械和热力方面严重不匹配，这会导致构成LED元件的晶圆出现严重翘曲和晶体材料质量变差。现在，剑桥大学衍生公司CamGan（2012年被Plessey收购）的硅基GaN技术已解决了此类不匹配问题，且已成功应用于其位于英国普利茅斯的晶圆加工厂。由此，业界首款低成本、入门级别的商用硅基GaN LED现正处于上市阶段。初级产品主要面向指示灯和重点照明市场，其光效为30-40lm/W，今年三、四季度将会推出70 lm/W的产品，供应给更多通用照明市场。

图1：垂直LED生产流程图。
　　GaN on Si Growth：硅基氮化镓生长
　　Mirror layer added：增设的镜像图层
　　Wafer：使用晶圆
　　Flip bonded wafer：倒装键合晶片
　　Substrate removal：衬底去除
　　Metallisation and surface texturing：喷涂金属层和表面纹理
　　采用硅衬底生产LED需要一些工艺步骤来克服架构中固有的硅材料吸收光问题并制造出高效的元件。在晶圆加工工艺中（如图1所示），在GaN架构（基于6"的硅晶圆，通过MOCVD生长）上设计一个垂直LED元件。紧接着沉积并粘附上一个高反射性触点（反射率通常为95%），然后制作一些金属层，以将晶圆粘贴至替换衬底上。
　　接着是焊线，在铸造焊接层时，采用导电和导热易熔金锡层（重熔点温度约为280℃）与其他金属层一起，以作为焊接金属和元件或替代品之间的载体。焊线完成后，去除亲本晶圆，将用于GaN层外延生长的晶种层露出来。翻转晶圆进行下一步的LED元件图案化处理。在晶圆上将金属涂层图案化，并置于阻挡层之上，使发光区覆盖量最小化。大部分电流会由顶部金属（通常为2m）传送。最后，进行光萃取图案化，蚀刻到GaN层（曝露在焊线后面）内，去除亲本晶圆。最后一步对于远程荧光粉应用特别关键，因为它可实现蓝光LED的发光图案控制。
　　由于GaN半导体的反射指数很高（445nm蓝光的反射指数约为2.45），因此只有很少的光逃逸到自由空间。根据Snell法则，其窄光逃逸锥大概为25°。若我们假定半导体内部发的光有一致的空间分布，并且反射镜反射指数大于90%，那么只有8%的总体光线可以从半导体顶部表面逃逸出去，其他的被全内反射限于内部，并最终被组分材料吸收。
　　为改进光萃取，采用了一个包含将半导体耦合至一个大的穹形透镜（其半径比半导体发光区尺寸大1.5倍）的简单设计方案。理想情况下，穹形透镜应由反射指数（n~2.45）跟GaN近似的材料做成，这使得超过90%的光逃逸至自由空间。
　　但实际上，不存在与GaN反射指数匹配且具有高成本效益、可做成穹形透镜的材料，因此LED制造商们通常转而使用容易获得的反射指数为1.5左右的环氧胶或硅材料。不过，添加反射指数为1.5的穹形透镜，仅使光萃取率达到12%。为克服因全内反射所导致的弱光萃取性能，有必要优化光线的光学路径，以增加其出现在逃逸锥内的可能性。
　　大部分传统高成本效益的高效光萃取方式基于表面粗糙度技术而确定。这种表面技术极为关键，因为它限定LED元件最终光线有角度的发出。这非常适用于远程荧光粉应用，尤其可实现蓝光LED发光图案控制。其他方式的图案化反射器被用于散射光线，可进一步改进光萃取。在本质上类似的微架构中，诸如萤火虫，萤火虫内部架构的锯齿状可增强发光强度。
　　大多数LED会在一个空间格局内发射光，且其中光的强度随出射角余弦值的变化而变化，呈现出标准的朗博分布。当这些标准LED用在一个数组中以形成照明配线盘时，光的传播就会形成一些不在期望范围内的异常发光点图案（如图2所示），我们将其称为“热点”。在图2中，LED的亮度一直保持在较低水平，以帮助说明这一问题。

图2：现有的照明配线盘示例。
　　为萃取光线并形成更加均匀的空间格局，为消费者呈现更加美观的效果，LED发出的光线不应呈朗博分布，而是呈蝙蝠翼状分布。这样，光照就可以达到更广的边侧区域，从而最大限度地提高荧光粉的泵送效率，并通过改进的蓝光转换来降低损失。实现这一目标后，配备了这种照明配线盘的LED之间的间距可以设置地更大，最终降低所需灯具系统的整体生产成本。
　　据估计，该光路萃取工程可节约10%的能源，若所需LED的数量减少，还可节约装配成本。而LED数量是否减少将取决于所产生的光强度图案的电平。若LED数量减半，则可在光线呈良好蝙蝠翼状分布的同时，维持或改进荧光粉中的亮度变化。光路设计可以通过细致的表面图案化和压印来完成，在设计过程中使用了电脑仿真技术，以达到优化空间布局和光萃取的目的。
　　将低成本硅基GaN技术与LED设计方案中的光萃取技术相结合，就有可能利用最佳的低功率LED阵列配置设计出高成本效益的防眩光灯具。
　　“智能照明系统”将继续把LED技术应用至拥有传感器和用户界面的系统中，而不仅仅是为了实现节能的目的。在开展环境光监控以实现更高的能源使用效率、更佳用户检测甚至最大的光通信潜力等实例中，利用高转换能力的LED来传输数据。
　　原文作者：Samir Mezouari

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