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中心議題：

• 大功率全方位反射鏡發光二極管性能研究

解決方案：

• 采用工藝技術提高LED 的出光效率
• 分析得出實驗測試結果

1. 引言

目前大功率LED光提取效率比較低的一個重要原因是LED 襯底的厚度比較大，很大一部分有源區發射的光入射到襯底層被襯底和電極等材料吸收，從而大大降低光的提取效率，進而影響出光，為了改善這一缺陷，近幾年利用全方位反射鏡 ( omnidirectional reflector，ODR) 將有源區發出的射向襯底的光反射出去是一個興起的分支. Tu 等采用ZnO 接觸作為反射鏡減少光源射向頂部時被不透明電極吸收的部分光線; Horng 等在Si 襯底與有源區之間增加反射鏡，并在p，n 區兩側分別做粗糙處理來增加出光，制作工藝復雜; 李一博等的利用Si做轉移襯底，Au做反光鏡和鍵合界面，ITO做緩沖層和窗口層制作基于Au /Au直接鍵合的反光鏡，是金屬反射鏡，與ODR 有本質區別并且在實際操作中需要鍵合技術，工藝相對復雜; 考慮到Ag / SiO2 作為反射鏡時，入射光不論是TE 模態還是TM 模態在不同角度上都有很高的反射率，所以本實驗中采用現有的芯片，先將藍寶石襯底減薄，再在藍寶石襯底上用PECVD 分別鍍上一層SiO2和Ag，即構成了白光ODR LED，制作工藝簡單，光強提高顯著，利于生產實際. 實驗中采用電極形狀如圖1 所示，ODR LED 芯片剖面結構如圖2 所示，圖2 中藍寶石襯底下Mirror 為Ag / SiO2.
2. 實驗原理

圖2 模擬了光在ODR LED 內部發射時所經過的路徑: 當在p，n 電極上加上正向壓降時，p 區空穴與n 區電子向有源區運動并發生輻射復合，發出的光線有兩條路徑，一條直接射出如圖2 中路徑1，另一條射向襯底下的全方位反射鏡，并發生反射，從頂面或側面射出如圖2 中路徑2，從而增加光射出的路徑，增強LED的光通量與光效.

3. 實驗樣品

本批實驗樣品采用揚州華夏集成光電有限公司生產的芯片.對一塊外延片整體進行測試，發現測試結果基本一致后試制成芯片. 將該外延片一半制做成普通LED 芯片，另一半制做ODR LED 芯片，芯片的尺寸為40 mil. 選取一個單元中的ODR LED芯片如圖3 所示，與圖2 比較，可以明顯看出芯片亮度不同.
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采用半自動針測機對芯片進行點測并選取與點測平均值較近的單元( 包含ODR 芯片與普通芯片各一個單元) 進行試制成LED 樣品，這兩個單元裸芯片在封裝前的點測結果如表1表2 所示. 從表1 表2 測量結果中可以看出: ODR 芯片比普通芯片的光強1847mcd 提高了244 mcd，相對提高了13. 21% ，這是由于ODR 增加反射光; 在通入相同的350 mA 工作電流時，ODR 芯片的電壓比普通芯片的電壓3. 202 V 增加了0. 002 V，此誤差較小可忽略; 其他方面的測量，兩種芯片測試結果基本保持一致. 4. 測試結果與分析

4. 1. 光色電測試結果

對封裝后的樣品選取普通LED 和ODR LED 各7個，兩類LED中不同樣品各自編號，先進行LED的快速光色電測試，測試儀器為杭州遠方HAAS- 2000 LED 快速光色電綜合測試量系統，測試溫度為25℃，測試電流為350 mA，兩組LED 的測試結果如下，表3 中去除5 號、表4 中去除5 號和7 號等性能不佳的樣品，兩組樣品測量反向漏電流時的反向電壓均為- 5. 008 V. 從表3 中可以看出，整體樣品品質較好，光通量較高，平均值達到76. 62 lm，光效達到65. 11 lm /W， 并且在正常工作電流為350 mA 情況下，電壓僅為3. 362 V，色純度為10. 3% ，但色溫偏高，為7010 K; 表4 看出經過ODR LED 處理后的LED 在光學、電 學、色參數方面都有明顯改善，光通量到達81. 25 lm，光效為68. 85 lm /W，比普通LED分別提高了4. 23 lm，3 . 74 lm /W，相對提高了6. 04%，5. 74% ，電壓為3. 371 V，僅增加了9 mV. 通過ODR LED 與普通LED的主波長、色溫對比，我們認為ODR 對于黃綠光的反射作用要強于藍光，導致ODR LED 的白光光譜中黃綠光相對普通LED 的光強增加量高于藍光，這一方面導致ODR LED 的色溫比普通LED 的色溫更低，降低了1804 K，大幅度提高LED 的色溫性能; 另一方面導致ODR LED 主波長紅移. 而且 ODR LED 的色純度明顯比普通LED 高，提高 8. 1% ，相對提高了78. 64% .
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4. 2. 光譜測試

對測試的ODR  LED 與普通LED 的發光光譜進行測試，結果如圖4 所示，從圖中可以看到，兩種樣品均產生兩個波峰，并且兩個波峰位置相同，一個峰位于445 nm，屬于藍光光譜范圍，另一個峰位于 546 nm，為黃綠光光譜范圍，這是由于這批白光LED 樣品采用在LED 藍光芯片上涂覆YAG ( yttrium aluminum garnet，釔鋁石榴石) 熒光粉，芯片發出的 藍光激發熒光粉后可產生典型的500-580 nm 黃綠 光，黃綠光再與藍光合成白光. 利用這種方法制備白光簡單，便于實現且效率高，資金投入不大，因此具有一定的實用性. 從圖4( a) ，( b) 中可以看出，ODR LED 與普通LED 的第一個峰位，均位于445 nm 處，兩種LED 的 FWHM 均為33 nm 左右，但從圖中右上角相對光譜強度可以看出ODR LED 的藍光光譜強度要高于普通LED; 另一個峰位，兩種LED 均位于546 nm，ODR LED 的FWHM 為122. 0 nm，普通LED 的FWHM 為120. 43 nm，ODR LED 的FWHM 要略大于普通LED，仍需改進; ODR LED 中黃綠光的光譜強度也 高于普通LED，這都是由于ODR 的反射作用. 但ODR LED 較普通LED 而言，黃綠光的增加量高于藍光，我們認為ODR 對于白光中黃綠光的反射強度要高于藍光，使得白光光譜中黃綠光的增加高于藍光的增加，這也正是主波長紅移和色溫降底的原因.

4.3. 電學性能測試

對ODR LED 與普通LED進行I-V 特性測試，測試條件為: 電流從0-1000 mA，間隔2mA，測試溫度為25℃，測試結果如圖5，從圖上可以看出，兩種LED 的整體電流電壓特性很好，均未出現隨著電流增大電壓出現飽和的情況，說明這批樣品品質較好. 當電流小于400 mA 時，ODR LED 與普通LED 的電流電壓曲線基本重合; 當電流大于400 mA 時， ODR LED 的電壓比普通LED 的電壓較高，并且差距越來越大，但始終在誤差范圍內. ODR LED 的串聯電阻為1. 160 Ω,比普通LED的串聯電阻1. 102 Ω僅增加0. 058 Ω，兩者基本相同.
[page] 式中Id 及Ir 分別是由擴散及復合所引起的飽和電流，Rs 為器件的串聯電阻.

若忽略Rs 對工作電流的影響，( 1 ) 式可以簡化為

I = Idiff exp[αV] + Ire exp[βV]. ( 2)

從圖5 可以看出，當電流處于0-1000 mA 時，I-V 特性曲線呈現兩種不同的區域.

當I < 400 mA，兩種LED 的I-V 特性曲線基本重合，并呈現指數曲線

I = 2. 86 × 10 -3 exp[( 0. 00038V) ]. ( 3)

當I > 400 mA，兩種LED 的曲線有所分離，

ODR LED: I = ( 2. 83139 + 0. 00132V) × 10 -3 ，( 4)

普通LED: I = ( 2. 82993 + 0. 00126V) × 10 -3 . ( 5)

由兩種LED 曲線的解析( 4) ，( 5) 式也可以看出兩種LED 的電壓差差距較小，說明ODR LED 處理對LED 器件電壓基本無影響.

4. 4. 光學性能測試

對兩種LED 的光通量和光效隨電流變化進行測量，測量條件與I-V 特性測試相同. 結果如圖6 所示，從圖中明顯看出，兩種LED 的光通量隨著電流升高而逐漸升高，光效均隨著電流的升高而逐漸降低; 而ODR LED 的光通量和光效要始終高于普通LED，這從光通量和光效隨電流變化的角度來證實了ODR LED 的優勢. 隨著電流的逐漸升高，LED 中p，n 區空穴和電子在大電流的驅動下增加了向多量子阱的擴散，使得復合發光逐漸增加，從而增加了光通量，所以兩種類型的LED 的光通量均會隨著電流的升高而增加. 由于ODR LED 特有的反射作用使得ODR LED 的光通量高于普通LED，并且隨著電流的增加其增加的幅度也會高于普通LED. 在光效問題上，在電流逐漸升高時，由于大功率LED 的電流驅動較高，使得芯片內部熱效應劇烈，增加了芯片內部非輻射性復合，相對降低芯片的外量子效率，使得芯片光效呈現衰減趨勢，導致芯片性能惡化. 但是ODR LED 的光效始終高于普通LED，說明ODR LED 在光衰抗老化中有著顯著優勢.
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4. 5. 色參數性能測試

在LED 的色學參數測試中，實驗主要測試了峰值波長、半峰寬、色溫隨電流的變化而變化，測試電流與前面I-V 特性曲線測試中相同，圖7顯示峰值波長及半峰寬隨電流變化的關系，圖8 顯示色溫隨電流變化的關系.

從圖7中可以看出，隨著電流的增加，峰值波長逐漸發生藍移，并且ODR LED 的藍移量為10. 5 nm 要高于普通LED 的藍移量8. 5 nm，這說明ODR LED 在波長方面的光衰不如普通LED 好. 由于GaN 基材料固有的極化效應，致使多量子阱能帶傾斜，產生量子限制斯塔克效應( QCSE) . 隨注入電流的增加，多量子阱區的自由載流子增加，由電子和空穴的空間局域性產生的電場可以在一定程度上屏蔽了極化電場，減弱了量子限制斯塔克效應，且超過了熱效應引起的紅移，使量子阱的有效禁帶寬度變大，峰值波向短波移動，發生藍移; 對于兩種LED 半峰寬的增加，可能是由于存在量子限制斯塔克效應，使載流子壽命的降低和光譜的展寬. LED 的色溫是把標準黑體加熱溫度升高到一定程度時該黑體顏色開始深紅-淺紅-橙黃- 白-藍逐漸變化，當某光源與黑體顏色相同時，把黑體當時的絕對溫度稱為該光源的色溫. 從圖8 中可以看出，隨著電流的增加，兩種LED 的色溫均呈現增加的趨勢，這是由于電流加大后，兩種LED 的藍光發射強度均增加，而熒光粉的厚度是一定的，則在出射的白光中藍光成份增多，色溫增加. 普 通LED 的色溫偏高，從開始的6632 K 增加至8251 K，色溫始終處于高色溫段，且色溫變化較大; ODR LED 的色溫適中，從5308 K 升高至5619 K，色溫始 終處于中色溫段，且色溫變化幅度要遠小于普通LED 燈，說明ODR LED 在色溫方面有著絕對的優勢---穩定性高.

5. 結論

針對近年來LED 出光效率不高的問題，本文采用簡單工藝條件提高LED 的出光效率，并且實驗測試結果也證實了這種工藝處理的簡易性、可行性和優越性. 從整體上看ODR LED 在光學、電學、色參 數都要比普通LED 有一定的優勢，尤其是色參數方面，將大功率LED 從高色溫區降低至中色溫區，利于視覺的保護，并且隨著電流的增加其色溫仍在中色溫區內，極大的改善功率型LED 的色溫缺陷，對生產實際具有一定的指導作用. 感謝揚州華夏集成光電有限公司提供的實驗樣品和相關工藝幫助，尤其是林岳明博士并對實際樣品的實驗提供相關的指導與建議.