纳米成形技术在LED行业的应用与发展

一引言

LED市场，由于受LED可替代白炽灯和荧光灯，广泛用于液晶电视背光源潜力的驱动，近年来正在爆炸式地增长。LED的商业成功依赖于各个方面，如单晶生长、芯片工艺、以及封装测试等的持续改善。

LED 的效率是给定电气输入条件下，对LED最终光输出的度量且由内量子效率、光提取效率、电学效率和封装效率四个因子所决定。内量子效率是对给定的电子-空穴对产生可形成多少光子的度量，主要由外延层质量。光提取效率定义了形成的光子可逸离LED器件的多少，取决于LED芯片和封装的结构。

二提高效率的传统方法

由于半导体介质的折射率较高，故LED芯片的光提取效率固有地低。产生的光大多数在半导体和空气的交界面发生内部反射，能提取并进入空气的光只有一小部分。曾经提出过好多通过增强光提取效率来提高LED效率的主意。LED业界采用的两种主要方法是随机纹理和成形蓝宝石衬底（PSS）技术。

考虑哪种光提取策略对芯片实际设计最好非常重要。根据是否采用蓝宝石衬底以及芯片封装中的连线方法，LED 芯片可分为四种不同类别（图 1）。

在传统芯片结构（图1.a）中，P型氮化镓层以及P和N型电极均位于位于顶面，电极通过引线键合与封装连接。倒装芯片LED（图1.b）， 蓝宝石衬底面朝上，电极利用倒芯片键合法键合于附属镶架上。

移除蓝宝石衬底和使用传导支架有许多有利于光提取和散热的优点。通常使用激光剥离技术移除外延层上的蓝宝石衬底以形成薄膜型LED。

在纵向薄膜型LED（图1.c）中，N型电极位于顶端，支撑导体则作为P型电极。按电流传播的概念言，电流的垂直流向是这种结构的另一个优点。

没有通过倒芯片键合法键合于蓝宝石衬底上的LED芯片称为薄膜倒装芯片LED（图1.d），此时，N型和P型电极，如同传统倒装芯片LED一样，都在同一侧。

在传统型芯片（图1a）中，顶部随机纹理化的P型氮化镓层系一种工业范畴内提高光提取的方法。纹理通常在采用MOCVD进行原位外延生长过程中形成。这是一种有效节约成本，毋需额外纹理处理步骤的方法。不过，随着衬底尺寸增加，总产量和一致性的损失都可能成为问题。

在倒装芯片和薄膜LED 中，为增加光提取，面朝上的N型氮化镓层应该粗糙或作成形处理。通常采用湿法刻蚀技术对N型氮化镓层表面纹理化。多数主流的高亮度LED制造厂都采用这种技术，而含纹理化N型氮化镓层的薄膜倒装芯片LED为已知具有最高超过80%光提取的器件。

成形蓝宝石衬底（PSS）技术是另一种除结合随机纹理化制作LED广泛采用的技术。该技术的设想是采用在微米级成形的蓝宝石衬底上生长氮化镓外延层来替代在平坦衬底上生长。预计这有两个好处。首先，由于成形蓝宝石衬底（PSS）上生长的外延层的线型位错密度较，增加了内量子效率。其二是由于外延-蓝宝石界面已经成形的图案能起散射中心和折射基点的作用，故内部总反射减少，从而的光提取效率增大。

三蓝宝石衬底的纳米级成形

有几种采用纳米级成形技术提高LED效率的新方法。第一，纳米成形化蓝宝石衬底（NPSS），可以认为是传统微米级PSS的延伸。但NPSS需要更高分辨率的光刻技术，与PSS相比将有明显优势。尽管，目前尚不知有哪家LED制造厂商生产中使用了NPSS，不过现有的几篇呈示有望成果的论文表明 NPSS的效率比微米级 PSS 约可高10-20%。一些研究论文表明，NPSS发光至少会高出10-20％。

从制造工艺的角度看，NPSS的优势可能不仅仅在于提高了效率。与微米级PSS相比，它结构更小，故蓝宝石蚀刻的时间便可缩短。考虑外延生长，NPSS达到平面外延层所需的时间也较短。另外一个重要的设想是NPSS结合激光剥离工艺，这样仅仅利用局部剥离（LLO ）工艺就可在纵向或者薄膜LED上产生纹理而毋需进一步光刻和蚀刻工艺步骤了。此外， NPSS上生长的外延层可能有更好的外延层质量，添加了进一步提高效率的潜力。

四光子晶体技术

光子晶体的技术，作为光提取技术最终的选择项目，被研究的时期已经很长。光子晶体的计划是使用尺度可与光波长比拟的周期或准周期结构作衍射光栅，将光导模式转换为泄漏模式，以造成光输出增加的结果。

尽管学术界和产业界竭力作过广泛的研发，光子晶体方法虽仍未被LED产业普遍接受，却已取得了各种成果，视LED芯片设计，采用的光子晶体，封装方法等不同方面而有异。某些情况下，结果优于传统随机粗化刻蚀，也有不如的。最近飞利浦Lumileds公司在自然光子学杂志上发表的报告称光子晶体的光提取效率比未包封极薄（？700nm）随机粗化氮化镓层更高。

光子晶体（ PC ）技术很可能对无包封和磷的LED 芯片有裨益。但白光LED由于使用含磷的包封，采用该技术的优势似乎并不存在。这是因为包封中的磷使光的方向变得不规则化，PC的优值消失之故。

考虑到这一点，看来只有当封装后的LED 芯片直接向空中发光时，PC的全部优势才可能被利用。采用PC也许还另有一些，如在筛选、成品率或量产方面的优势可以补偿其比随机粗化高的工艺成本。

如今，已有一些LED生产商使用PC技术来增强光输出。 Luminus Devices 公司已在其各种投影仪和电视背光源使用的大面积、大功率LED 制造中采用了PC技术，PC结构系采用纳米光刻（NI L：nanoimprint lithography）制作。

五外延侧向过生长

外延侧向过生长（ELO：Epitaxial lateral overgrowth）并非一种崭新技术，在蓝色激光二极管生产中已经应用。该技术主要是在氮化镓层中嵌入成形的介质（SiO2 or SiNx）。线型位错（TD：Threading Dislocation）受嵌入的介质阻挡，不能在介质层上方生长。氮化镓外延层则只能通过介质上开启的区域生长，然后侧向并接。结果TD密度显着减少。ELO 技术由于成本明显偏高，并非LED 生产选用的技术，但因为能解决LED 的许多诸如效率降落，非极性氮化镓以及硅衬底上生长的问题，逐渐又得到了重视。

最近，有关ELO的LED研究对纳米成形介质的作用进行了考察。一个重要的观点是纳米成形介质可起嵌入光子晶体作用，具有比微米成形介质更好的光提取可能性。实际上，微米成形介质对光提取并非有利。已有关于纳米 ELO可喜成果的报告，但ELO技术在LED产业基于2英寸蓝宝石衬底的量产成本相当高，故能否广泛应用尚未可知。不过随着未来LED生产向更大尺寸（4英寸或6英寸）晶片转移将会打开使用该技术增加LED效率的可能。

六表面等离子

表面等离子（SP：Surface plasmon）是金属表面电子振荡聚合的量子。在纳米尺度或纳米成形的金属中，其效应大大增强。SP是纳米光子学领域的热门研究课题之一，该技术已商业地用于生物传感且处于光子集成电路研究的心脏。一些研究也已表明SP技术能增强太阳能电池的转换效率。有些研究组还证实了采用SP技术后LED 效率的增加。可以认为表面等离子能直接与量子阱（LED 芯片内的光发射区域）中的电子-空穴对发生相互作用以增强辐射复合率。但实际的问题是金属层与量子阱区的距离必须小于100纳米。当金属层位于LED 顶部时，上述限制意味着P型氮化镓层应非常薄，由此将造成电流的展延困难。

七纳米压印光刻

纳米压印光刻（NIL：Nano imprint lithography）技术应用于LED，拥有许多优势。已经证明LED制造采用的衬底纳米成形，由于波纹和缺陷的存在，实乃一种挑战。光刻因这些不规则将有遭失去聚焦之虞，电子束光刻则过于缓慢和昂贵，采用硬模的传统NIL也由于上述缺陷的存在而失效。

Obducat为LED纳米成形研发的印压工艺以两个工艺步骤为基础：首先，在专用的软聚合物薄膜上复制形成中间聚合物模版（IPS：Intermediate Polymer Stamp）。然后在第二工艺步骤中，结合专用的热和紫外光并用印压技术，此IPS可用于目标衬底上的图形复制。IPS专利技术能实行污染控制，利用避免印模和衬底的接触增加主模的使用寿命，因此对与NIL相关的整体成本影响极大，使解决方案具有非常的成本效益。

还有一种obducat技术是利用压缩空气将压力施加给印模和衬底，从而确保整个印压区域压力均匀的软压。它使印模和衬底互相一致，消除掉因印模和衬底厚度变化，弯曲或起伏等造成的不利影响。软压可在大面积上保留薄而均匀的残留层，这对高分辨率印压和图形传输的保真度极为关键。

基于LED 产业对纳米成形的需求，Obducat 研发了利用上述三种技术，每小时加工30片晶圆的大型Sindre NIL加工机（图2）。

图3所示为Sindre 400系统加工的成形氮化镓显微照片。

八结论

纳米成形技术有多种可进一步增强LED器件效率的潜力。对芯片表面光子晶体（PC）的研究虽已有多年，然而与随机纹理工艺相比，至今仍非克服工艺高成本的好方法。PC的概念也许与纳米成形蓝宝石衬底（NPSS）和侧向外延生长（ELO）结合才能存在。而NPSS因是现有技术的自然扩展，故具有最大商业成功的潜力且一些有希望的成果业已得到很多研究组的证实。纯粹从与微米级PSS工艺比较的角度看，还可期待NPSS有更多优势。由于NPSS成本上有效和优秀的工艺性能，在LED 产业向高效纳米成形LED领域发展的过程中，纳米印压光刻必将起到关键作用。