LED晶片取光率的提升方法介绍

　　一些我们尝试提高LED晶片取光率的做法，这些结构需在制作过程中加入，可以是在晶片制程中或是在氮化物薄膜磊晶过程中。需注意的是，在晶片制程中加入微结构的缺点是，可能导致光在介面层和在有缺陷的区域被吸收，导致反射光的增加而降低光的取出量，且会造成LED晶片温度上升的负面效益。

　　避免光在基板中损失

　　为了提高LED取光量，首先我们在出光面的另一侧加上了一镜面，把光反射到出光面。我们发现制作反射面及晶片结构的制程，会对光反射、晶片散热和导电造成负面的影响。此外，反射面必须要放在距发光区域相当距离的地方才会有效果，导致在晶片中来回穿梭时光源有重大的损失。一个更好增加出光量的办法是在基板及氮化镓初始层间制作一散射层。尔後发展在基板上制作微结构也可提供相同作用的散射层，且有一个额外的好处，就是可减少氮化镓的差排密度，因为这些基板上的微结构有助於氮化镓初始的成长。

　　另一个方式是在氮化物磊晶层，产生光的量子井底下加入一反射层。在磊晶层中加上许多组不同组织的氮化铝镓可以产生布拉格反射层。不过由于材料的品质问题，很难形成好的多层氮化铝镓反射结构。

　　我们发现一个更有效率的作法是在氮化镓层内加入微结构，除了可以发挥散射的目的外，也可以减缓在低差排密度薄膜内的应力。在扫描电子显微镜图中显示，藉由成长条件的选择，这些微结构的大小和形状可以被控制。这些空洞的形状可从几乎垂直到倾斜，由於具多样性，藉由选择磊晶模式、各层厚度及成份的控制，产生一个最佳的分散结构及接近完美的晶体质量是可能的。

　　从顶面取光

　　在晶片顶面发生的内部反射，是降低LED光输出的主因，可藉抗反射光学薄膜的沈积或是具高度散射的结构来改善。根据理论，当光波长与物件尺寸的比例介於十分之一到两倍时，此物件可最有效的散射该光源。当比例介於三分之一至一时，会有最好的散射效率。

　　为了提高LED出光量，粗化晶片表面以增加散射是被广泛采用的方法。有许多精密且具量产性的制程，可用来粗化表面。由於氮化镓类材料发光的光波长很短，为了在晶片上制作与波长相当尺寸的微结构，传统的光阻技术有其限制，因此不是个理想的方式。从成本和产能的角度来看，不使用光罩的制程比较适合。在增 加光散射，有一个广为人知且非常有效的方法，就是在磊晶最後几层改变生长条件，形成一个粗糙表面。然而这种方法的缺点是会影响晶片的电性和光学特性。我们认为，比较好的方法是在p型GaN层中加入一个结晶散射层，如此可在晶片的顶部形成一平面，也方便後制程的实施。

　　在透明接触材料施以化学处理粗化表面，以产生散射结构也可增加LED出光量，如图二c和d。此外，类似技术亦可用在覆晶（flip-chip）结构上，光从蓝宝石基板侧发出。这种情况下，散射结构是在蓝宝石基板表面上形成。

　　传统以划线（scribing）技术分离晶片的方法，很容易在基板及划线区域磊晶层造成明显的破坏。低破坏划线切割技术搭配切割後的化学处理，可有效解决这个问题。

　　虽然晶片的侧壁相对表面积占的比例很小，却对LED

　　的光取出效率有举足轻重的影响。这是因为光产生时是往四面八方传递，由於光在晶片内有高度的全反射，很大一部分的光是射向侧壁。我们发现，以蚀刻方法，使侧壁产生斜角用来引导光，或是移除侧壁因划线产生的损伤，且藉由粗化侧壁增加光的散射，都可以提高光取出率。光被金属层吸收又是另一个问题，我们采用了一些非常简单的方法来解决，那就是减少金属接点的面积，并藉由电流阻挡层来抑制电流注入到在金属接点下方的发光区域。

　　对所有产生可见光的氮化物LED，形成良好的p型接触是具有挑战性的。p-氮化镓表面必须尽量被接触，以确保均匀的电流扩散和减少接触电阻。因此为了提高LED的发光效率，依不同晶片的设计，采用高反射或是高透明的p 极接触材料是必要的。选择正确的接触材料种类及结构是一大挑战。