改善紅光LED提取效率的創新技術(圖)

　對目前的紅光LED來說，擁有更好的提取效率已經不是不可能的事了，這是由于擁有特殊設計的穿透和反射層的原因，該產品已于晶元光電的兩條產品在線開發完成。

　目前許多以 AlGaInP 為基材的 LED 大部分被用來提供作為交通信號和汽車剎車燈的紅色光源。然而，此類型的器件如果每單位流明成本更低廉的話，將可以更成功的應用于商品化的產品。例如投影機、液晶電視的背光源以及色溫調變裝置等。

　降低每單位流明成本的方法可以使用新技術提高 LDE 的效率，例如改善成長的條件或器件制程的方式，將此器件的內部量子效率提高至理論極限，如此便能提高 LED 器件的發光提取效率。

　目前已經有許多的技術朝向此目標進行開發研究，但是沒有一個是合適的。加入分布式布拉格反射器 (distributed Bragg reflector, DBR) 于 LED 中用來降低光源在 GaAs 基板上的吸收，但是反射光源在傾斜入射角度的效率相對低，這是因為明顯的光學損失所造成的。改善的方式可以取代該基板替換成可穿透的基材，例如藍寶石或 GaP，但是依舊還是有缺點，這是因為這些方式并無法釋放出有效的熱傳功率系數，仍須使用最大的驅動電流和流明輸出值。不過，表面的型態依舊能增加光的輸出，但是若利用傳統的化學刻蝕技術則不容易控制邊界和刻蝕范圍。

　熱傳導問題最近使用一種新的方式，通過取向附生層的轉換來通電與熱傳導基板。然而，即便使用此種先進的方式，光學效率在許多商品化的 620 nm 波長的 LED 僅僅只有 50 lm/W。這意味著高亮度的 LED 的產生來自于多種不同的技術結合而成，如此便無法滿足客戶對效率的期望。

　無論如何，在臺灣的晶元光電股份有限公司，我們擁有尚未公開發表的新系列 AlGaInP LED，該產品能產生遠大于目前技術的效率。針對這些產品，我們將其命名為P和A系列（雖然他們最初是分別被命名為鳳凰和寶瓶 LED）。主要的特色在于光的激發效率最少為 50％ ，這一切都要歸功于額外的多層膜結構的波形表面型態以及不同等級的反射系數。更重要的是，我們使用原有的設備便可從事制造，并且量能滿載。

　我們稱此專利的的多層膜結構為“朗伯穿透和反射膜層”，因為他們是依循 Johann Heinrich Lambert 的余弦散射定律。這些結構的反射或發散在垂直于表面的方向擁有極大的強度，在最傾斜的角度則強度最弱（請見圖一的定義）

　圖一：(a) Lambertian穿透面在垂直于該表面時會擁有最大的穿透率（透光強度與 cos[θ] 成正比，θ表示從基板平面到垂直位置間的角度），本圖箭頭的長度表示光源的強度。(b) Lambertian反射面產生相同強度的分布，晶元光電已經確認過Lambertian本身的傳輸特性 (c) 和反射器。(d) 入射光束的角度θ為0#176;、30#176;和 60#176;，而觀測的角度從5#176;到80#176;之間。

　我們的 P-系列和 A-系列的 LED 特色，為 Lambertian 的發射和反射分別在器件的上方和下層。發射器釋放出來的光絕大部分都往正前方前進，僅僅有非常少部分的的光線會返回到器件里面，這些有可能被量子所吸收。同時，反射器會經由特定角度，將絕大部分的光源導向基板返回器件，以避免芯片內部的多重反射發生。

　我們制作我們的 P-系列芯片是通過 GaP 表面的 Lambertian 反射器所創造出來的，此乃 AlGaInP 在 GaAs 取向附生層的最上層（圖二a）。在 GaAs 被移除之前，此晶圓先與硅結合。接著我們刻蝕掉 n-type 電鍍層而形成 Lambertian 反射器，并明確界定黃金 p-type 與硅基板的背面互相接觸。晶圓的問題如下，在器件被結合之前，晶圓會先切成獨立的芯片。

　A-系列的 LED 擁有些許不同的設計（圖二b），為了將晶圓與藍寶石相結合，使用穿透率高的黏著薄膜用來作為結合劑，除此之外，制造程序與 P-系列類似。

圖二：（上）P-系列 (a) 和 A-系列 (b) 的 LED 特色為
擁有 Lambertian 的穿透和反射面。

　我們的 A-系列芯片會在 615~620nm 被激發，且僅需 2V 的正向電壓（請情請參照表一）。在 20 mA 的電流下，620 nm 會釋放出 107 lm/W，而 615 nm 在相同的電流條件下，同樣能產生出 130 lm/W（請參見圖三，其它器件的電流作比較）。這個產品的最大正向電流等級為 40 mA，本器件的確有足夠的能力作為背光源、建筑光源、娛樂和裝飾用的光源。

圖三，其它器件的電流作比較

　P-系列芯片與他們的A-系列尺寸相同，但卻是操作于高電流范圍，這一切都要感謝硅基板優異的熱傳導系數，當電流為 250 mA 時，他們可以產生 25 lm（圖四），但我們建議驅動電流應維持在 70 mA，這種 LED 同樣能適用于我們的A-系列芯片，但是我們仍然將它定位于交通號志、廣告招牌和路標等應用。

圖四

　我們的這兩種產品都擁有非常高的可靠性，經過 1000 小時的長時間測試，P-系列的芯片在 80 mA 的輸出電流，85 amp;ordm；C 和 85％ 的濕度環境下，都能維持穩定的光源輸出；而 A–系列芯片在相同環境條件下，提供 40mA的電流，也都能維持穩定的光源輸出。

　我們相信我們的紅光 LED 在 20 mA下，能夠創造出前所未有的發光效率，我們的顧客也說，它能提升30–50％ 以上，超越市場上所有的其它產品。今年我們將會在我們自己的生產在線生產制造這些器件，同時我們也很有信心該產品將會大大提升紅光LED的發展。