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硅基GaN LED及光萃取技�(shù)�(shí)�(xiàn)高性價(jià)比照�

編輯:admin 2014-06-25 14:52:59 瀏覽�1165  �(lái)源:

  傳統(tǒng)的氮化鎵(GaN�

  但是,硅襯底的問(wèn)題在于與GaN之間在機(jī)械和熱力方面�(yán)重不匹配,這會(huì)�(dǎo)致構(gòu)成LED元件的晶圓出�(xiàn)�(yán)重翹曲和晶體材料�(zhì)量變�?,F(xiàn)在,劍橋大學(xué)衍生公司CamGan�2012年被Plessey收購(gòu))的硅基GaN技�(shù)已解決了此類不匹配問(wèn)�,且已成功應(yīng)用于其位于英�(guó)普利茅斯的晶圓加工廠。由�,業(yè)界首款低成本、入門(mén)�(jí)別的商用硅基GaN LED�(xiàn)正處于上市階�。初�(jí)�(chǎn)品主要面向指示燈和重�(diǎn)照明市場(chǎng),其光效�30-40lm/W,今年三、四季度將會(huì)推出70 lm/W的產(chǎn)�,供�(yīng)給更多通用照明市場(chǎng)�

�1:垂直LED生產(chǎn)流程��

  GaN on Si Growth:硅基氮化鎵生長(zhǎng)

  Mirror layer added:增�(shè)的鏡像圖�

  Wafer:使用晶�

  Flip bonded wafer:倒裝鍵合晶片

  Substrate removal:襯底去�

  Metallisation and surface texturing:噴涂金屬層和表面紋�

  采用硅襯底生�(chǎn)LED需要一些工藝步驟來(lái)克服架構(gòu)中固有的硅材料吸收光�(wèn)題并制造出高效的元�。在晶圓加工工藝中(如圖1所示),在GaN架構(gòu)(基�6"的硅晶圓,通過(guò)MOCVD生長(zhǎng))上�(shè)�(jì)一�(gè)垂直LED元件。緊接著沉積并粘附上一�(gè)高反射性觸�(diǎn)(反射率通常�95%�,然后制作一些金屬層,以將晶圓粘貼至替換襯底��

  接著是焊�,在鑄造焊接層�(shí),采用導(dǎo)電和�(dǎo)熱易熔金錫層(重熔點(diǎn)溫度約為280℃)與其他金屬層一�,以作為焊接金屬和元件或替代品之間的載體。焊線完成后,去除親本晶圓,將用于GaN層外延生�(zhǎng)的晶種層露出�(lái)。翻�(zhuǎn)晶圓�(jìn)行下一步的LED元件圖案化處�。在晶圓上將金屬涂層圖案�,并置于阻擋層之�,使�(fā)光區(qū)覆蓋量最小化。大部分電流�(huì)由頂部金屬(通常�2m)傳送。最�,�(jìn)行光萃取圖案化,蝕刻到GaN層(曝露在焊線后面)�(nèi),去除親本晶�。最后一步對(duì)于遠(yuǎn)�熒光粉應(yīng)用特別關(guān)�,因?yàn)樗�?shí)�(xiàn)�(lán)光LED的發(fā)光圖案控制�

  由于GaN半導(dǎo)體的反射指數(shù)很高�445nm�(lán)光的反射指數(shù)約為2.45),因此只有很少的光逃逸到自由空間。根�(jù)Snell法則,其窄光逃逸錐大概�25°。若我們假定半�(dǎo)體內(nèi)部發(fā)的光有一致的空間分布,并且反射鏡反射指數(shù)大于90%,那么只�8%的總體光線可以從半導(dǎo)體頂部表面逃逸出�,其他的被全�(nèi)反射限于�(nèi)�,并最終被組分材料吸收�

  為改�(jìn)光萃�,采用了一�(gè)包含將半�(dǎo)體耦合至一�(gè)大的穹形透鏡(其半徑比半�(dǎo)體發(fā)光區(qū)尺寸�1.5倍)的簡(jiǎn)單設(shè)�(jì)方案。理想情況下,穹形透鏡�(yīng)由反射指�(shù)(n~2.45)跟GaN近似的材料做�,這使得超�(guò)90%的光逃逸至自由空間�

  但實(shí)際上,不存在與GaN反射指數(shù)匹配且具有高成本效益、可做成穹形透鏡的材�,因此LED制造商們通常�(zhuǎn)而使用容易獲得的反射指數(shù)�1.5左右的環(huán)氧膠或硅材料。不�(guò),添加反射指�(shù)�1.5的穹形透鏡,僅使光萃取率達(dá)�12%。為克服因全�(nèi)反射所�(dǎo)致的弱光萃取性能,有必要�(yōu)化光線的光學(xué)路徑,以增加其出�(xiàn)在逃逸錐�(nèi)的可能性�

  大部分傳�(tǒng)高成本效益的高效光萃取方式基于表面粗糙度技�(shù)而確定。這種表面技�(shù)極為�(guān)�,因?yàn)樗薅↙ED元件最終光線有角度的發(fā)出。這非常適用于�(yuǎn)程熒光粉�(yīng)�,尤其可�(shí)�(xiàn)�(lán)光LED�(fā)光圖案控�。其他方式的圖案化反射器被用于散射光�,可�(jìn)一步改�(jìn)光萃取。在本質(zhì)上類似的微架�(gòu)�,諸如螢火蟲(chóng),螢火蟲(chóng)�(nèi)部架�(gòu)的鋸齒狀可增�(qiáng)�(fā)光強(qiáng)��

  大多�(shù)LED�(huì)在一�(gè)空間格局�(nèi)�(fā)射光,且其中光的�(qiáng)度隨出射角余弦值的變化而變化,呈現(xiàn)出標(biāo)�(zhǔn)的朗博分�。當(dāng)這些�(biāo)�(zhǔn)LED用在一�(gè)�(shù)組中以形成照明配線盤(pán)�(shí),光的傳播就�(huì)形成一些不在期望范圍內(nèi)的異常發(fā)光點(diǎn)圖案(如�2所示),我們將其稱為“熱�(diǎn)�。在�2�,LED的亮度一直保持在較低水平,以幫助�(shuō)明這一�(wèn)��

�2:現(xiàn)有的照明配線�(pán)示例�

  為萃取光線并形成更加均勻的空間格局,為消費(fèi)者呈�(xiàn)更加美觀的效�,LED�(fā)出的光線不應(yīng)呈朗博分�,而是呈蝙蝠翼狀分布。這樣,光照就可以�(dá)到更廣的邊側(cè)區(qū)域,從而最大限度地提高熒光粉的泵送效�,并通過(guò)改�(jìn)的藍(lán)光轉(zhuǎn)換來(lái)降低損失。實(shí)�(xiàn)這一目標(biāo)�,配備了這種照明配線�(pán)的LED之間的間距可以設(shè)置地更大,最終降低所需燈具系統(tǒng)的整體生�(chǎn)成本�

  �(jù)估計(jì),該光路萃取工程可節(jié)�10%的能源,若所需LED的數(shù)量減�,還可節(jié)約裝配成�。而LED�(shù)量是否減少將取決于所�(chǎn)生的光強(qiáng)度圖案的電平。若LED�(shù)量減�,則可在光線呈良好蝙蝠翼狀分布的同�(shí),維持或改�(jìn)熒光粉中的亮度變�。光路設(shè)�(jì)可以通過(guò)�(xì)致的表面圖案化和壓印�(lái)完成,在�(shè)�(jì)�(guò)程中使用了電腦仿真技�(shù),以�(dá)到優(yōu)化空間布局和光萃取的目的�

  將低成本硅基GaN技�(shù)與LED�(shè)�(jì)方案中的光萃取技�(shù)相結(jié)�,就有可能利用最佳的低功率LED陣列配置�(shè)�(jì)出高成本效益的防眩光燈具�

  “智能照明系�(tǒng)”將繼續(xù)把LED技�(shù)�(yīng)用至擁有傳感器和用戶界面的系�(tǒng)中,而不僅僅是為了實(shí)�(xiàn)節(jié)能的目的。在�(kāi)展環(huán)境光�(jiān)控以�(shí)�(xiàn)更高的能源使用效�、更佳用戶檢�(cè)甚至最大的光通信潛力等實(shí)例中,利用高�(zhuǎn)換能力的LED�(lái)傳輸�(shù)�(jù)�

  原文作者:Samir Mezouari

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