大功率LED的商场的运用率正在扩展。在工业照明运用中运用这些设备,会带来高功率。正是因为功率越高,散热就越低,终究,热办理就越简略、廉价。

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  鉴于LED职业的情况,所以许多芯片制作商正在努力提高设备的功率,而且在大电力职业中获得了更多的成功和更大的赢利空间。即便这些设备制作商只比同行高出百分之几的功率,可是这将给他们带来适当的优势,他们能够有很大的赢利空间,其间很大一部分来自高端LED芯片的出产。

  能够出产高功率设备的另一个利益是,如果它们也具有牢靠性,那么它们能够在轿车大灯范畴应战成功。可是,它们没有取得成功的当地却在一般照明。在一般照明中,很多运用中低效LED,这些设备的许多制作商日子折磨。

  提取光子

  一个高效LED的要害要求之一是提取其间生成的大部分光子。完结这一点很重要,因为GaN的折射率远远高于空气的折射率,导致大多数光子因全内反射而被困在器材内部。

  战胜这个问题的常用办法是在图画化蓝宝石上出产器材。波纹外表能够在许多方向上散射光子,添加了光从芯片逸出的可能性。

  这些基板是这样构成的:选用一块平面蓝宝石,用光致抗蚀剂掩模和电感耦合等离子体将图画蚀刻进里边。经过这个进程,掩模逐步腐蚀,呈现圆顶形外表。 如果想要锥体,则能够经过调理蚀刻条件来构成。

  当光传达经过在图画化蓝宝石衬底上构成的LED时,因为折射率的差异,光被反射和衍射。光的传达在界面处发作最大的改动,折射率呈现最大的差异,这呈现在GaN和空气之间的鸿沟处。因而,许多研讨小组企图将高折射率对比度腔体结构融入到LED里。这种结构是成功的,能够添加光提取,但到目前为止,还没有关于在LED职业界运用出产级、成腔工艺的陈述。

  对腔体式LED做出了严重贡献的其间一个研讨小组是韩国首尔国立大学的Euijoon Yoon和搭档组成的团队。他们花了几年的时刻用中空二氧化硅纳米球构成的纳米级腔体制作LED,经过在LED中引进腔体来添加光提取。此外,因为腔周围的GaN中的压应力减少,他们减少了翘曲度。这意味着更薄的蓝宝石晶片能够用于LED制作,减少出产本钱。

  可是,仍有改善的空间。因为中空腔的密度低以及方位的随机性,光提取的添加并不高。有必要处理这些缺陷,以便为LED出产创造出更好、更牢靠的空腔成型工艺。

  从试验室到工厂

  下面将介绍的是韩国的Hexa Solution公司是怎么处理这些问题的,他们的核心技能是腔体蓝宝石衬底。韩国的两个研讨机构进行了一项可行性研讨,试验室规划出产标明,结合空腔规划的蓝宝石衬底的LED比图画化蓝宝石衬底的LED要好。

  他们出产腔体式蓝宝石衬底的工艺是很稳健的,而且是可扩展的(见图1)。该工艺从光致抗蚀剂图画开端,经过回流工艺先将圆柱形光致抗蚀剂制成圆顶的形状。随后,在所有露出的外表上以120℃的温度将80nm厚的无定形氧化铝层进行原子层堆积。氧化铝部分掩盖蓝宝石,部分掩盖光致抗蚀剂。

  

  图1. 用于构成腔体式衬底的制作工艺包括将无定形氧化铝进行彻底结晶,使其变成蓝宝石。这大大简化了随后的GaN成长。

  下一步是在氧化气氛中进行热处理。这能够将氧经过多孔氧化铝层进行内分散,将氧化副产物向外分散,得到的成果就是圆顶形腔。

  一起,无定形氧化铝变成彻底结晶,从蓝宝石触摸区域开端,在光致抗蚀剂的圆顶顶部完结。该办法的一个长处就是无定形氧化铝的结晶相是蓝宝石。因而,因为氧化铝在热处理期间结晶成蓝宝石,所以不需求额定的加工过程来露出蓝宝石种子层并开端GaN成长(参见图2)。

  

  图2. 扫描电子显微镜显现GaN成长后构成的六角形圆顶嵌入腔。

  这种腔体式衬底的巨大优势是它们共同的光学功能。它们发生激烈的搅扰,导致肉眼能够看到一系列色彩。与图画蓝宝石比较,因为腔的强衍射,在白炽灯和荧光照明下会发生更生动的干与色(见图3)。

  

  图3. 与图画化蓝宝石比较,腔体式蓝宝石中的衍射更强,在照明下呈现更亮的色彩。

  此外,透射试验标明,腔体式蓝宝石在宽波长范围内发生的透射率比图画化蓝宝石更高。

  时域有限差分模仿显现,高折射率对比度腔与行将到来的平面波相互作用十分激烈。成果显现,空腔在改动光的传达方向是有用的(见图4)。

  

  图4. 时域有限差分模仿显现,在空腔式蓝宝石中的散射要比图画化蓝宝石更强。在模仿中,运用入射角为0°(顶部)和45°(底部)的平面波。

  空气腔体的另一个成果是它作为对平面波的光学搅扰,在结构内部和外部构成显着的相位变形。依据惠更斯的原理,嵌入式空气腔阵列能够从LED中提取更多的光,因为每个独自的空气腔会发生激烈的次级波。LED内部发生的光与高折射率对比度腔体阵列相互作用激烈,因而,与传统器材中的全内反射比较,光离开了芯片,或许换句话说,光是衍射的(参见图5)。

  

  图5. 时域有限差分模仿显现,腔体式蓝宝石的LED在提取光线方面比运用图画化蓝宝石衬底的更有用。

  功能验证

  为了展现腔体式蓝宝石的LED的杰出功能,而且与图画化蓝宝石上构成的LED比较,研讨人员在MOCVD反应器中一起在两种类型的基板上出产设备。之后,一起加工两种晶片,出产出尺度为1075μm * 750μm的大面积、横向型蓝色发光InGaN / GaN LED。

  两种蓝宝石的特征有显着差异。空腔式蓝宝石包括高1.5μm、直径2.4μm的半球,而图画蓝宝石上的锥体高1.7μm、直径2.7μm。从这些晶片中切开LED芯片(见图6),单个芯片安装在相同的封装上。

  

  图6. 横向型LED,尺度为1075μm * 750μm,选用腔体式蓝宝石技能。

  运用规范积分球丈量光功率,LED在腔体式蓝宝石上发生的功率一般显着高于在图画化蓝宝石上发生的功率(见图7)。收集以240mA驱动的单个LED芯片的光谱显现,在腔体式蓝宝石上出产的那些LED芯片在468nm处供给峰值发射,而且发生的光学功率比图画化蓝宝石上构成的LED高40%。在腔体式蓝宝石上出产的LED发射主波长为456nm和462nm,体现也超越图画化蓝宝石上构成的LED,但起伏较小(见图8)。

  

  图7. 运用空腔式蓝宝石和图画化蓝宝石技能出产的LED的光功率散布。

  

  图8. 运用腔体式蓝宝石的LED在456nm、462nm和468nm的三个首要波利益发生的功率大于图画化蓝宝石上构成的LED。

  这种腔体技能的一大利益是,衬底的外表彻底由蓝宝石制成。 这意味着与MOCVD成长相关的化学反应与平面和图画化蓝宝石的化学反应相同。尽管可能需求略微调整成长温度来优化器材功能,可是选用该技能不需求对出产工艺进行严重改动。

  与图画化蓝宝石制成的LED比较,价格较低源自较低本钱的工艺。经过等离子体蚀刻构成的图画化蓝宝石相对贵重,这是因为蓝宝石硬度硬,在严苛条件下需求长时刻的蚀刻时刻。更糟糕的是,图画化蓝宝石的产值不能令人满意。比较之下,能够运用更安稳、更廉价的原子层堆积工艺和热处理来批量出产一批空腔式蓝宝石衬底。