LED芯片的技术发展状况

对于标准管芯(200-350μm2)，日本日亚公司报道的最高研究水平，紫光(400 nm)22 mW，其外量子效率为35.5%，蓝光(460 nm) 18.8 mW，其外量子效率为34.9%。美国Cree公司可以提供功率大于15 mW 的蓝色发光芯片(455～475 nm)和最大功率为21 mW的紫光发光芯片(395～410 nm)，8 mW 绿光(505～525 nm)发光芯片。台湾现在可以向市场提供6 mW左右的蓝光和4 mW左右的紫光芯片，其实验室水平可以达到蓝光10 mW和紫光7～8 mW的水平。国内的公司可以向市场提供3～4mW的蓝光芯片，研究单位的水平为蓝光6 mW左右，绿光1～2 mW，紫光1～2 mW。

随着外延生长技术和多量子阱结构的发展，超高亮度发光二极管的内量子效率己有了非常大的改善，如波长625 nm AlGaInP基超高亮度发光二极管的内量子效率可达到100%，已接近极限。

AlGaInN基材料内存在的晶格和热失配所致的缺陷、应力和电场等使得AlGaInN基超高亮度发光二极管的内量子效率比较低，但也在35～50%之间，半导体材料本身的光电转换效率己远高过其它发光光源，因此提高芯片的外量子效率是提高发光效率的关键。这在很大程度上要求设计新的芯片结构来改善芯片出光效率，进而达到提升发光效率(或外量子效率)的目的，大功率芯片技术也就专注于如何提升出光效率来提升芯片的发光效率，主要技术途径和发展状况阐述如下：

1)改变芯片外形的技术

当发射点处于球的中心处时，球形芯片可以获得最佳的出光效率。改变芯片几何形状来提升出光效率的想法早在60年代就用于二极管芯片，但由于成本原因一直无法实用。在实际应用中，往往是制作特殊形状的芯片来提高侧向出光的利用效率，也可以在发光区底部(正面出光)或者外延层材料(背面出光)进行特殊的几何规格设计，并在适当的区域涂覆高防反射层薄膜，来提高芯片的侧向出光利用率。

1999年HP公司开发了倒金字塔形AlInGaP芯片并达到商用的目标，TIP结构减少了光在晶体内传输距离、减少了内反射和吸收(有源区吸收和自由截流子吸收等)引起的光损耗、芯片特性大幅度改善，发光效率达100流明/瓦(100 mA，610 nm)，外量子效率更达到55%(650 nm)，而面朝下的倒装结构使P-N结更接近热沉，改善了散热特性，提高了芯片寿命。

2)键合技术

AlGaInP和AlGaInN基二极管外延片所用的衬底分别为GaAs和蓝宝石，它们的导热性能都较差。为了更有效的散热和降低结温，可通过减薄衬底或去掉原来用于生长外延层的衬底，然后将外延层键合转移倒导电和导热性能良好热导率大的衬底上，如铜、铝、金锡合金、氮化铝等。键合可用合金焊料如AuSn、PbSn、In等来完成。Si的热导率比GaAs和蓝宝石都好，而且易于加工，价格便宜，是功率型芯片的首选材料。

2001年，Cree推出的新一代XBTM系列背面出光的功率型芯片，其尺寸为0.9mm x 0.9mm，顶部引线键合垫处于中央位置，采用"米"字形电极使注入电流能够较为均匀的扩展，底部采用AuSn合金将芯片倒装焊接在管壳底盘上，具有较低的热阻，工作电流400 mA时，波长405和470 nm的输出光功率分别为250 mW和150 mW。

3)倒装芯片技术

AlGaInN基二极管外延片一般是生长在绝缘的蓝宝石衬底上，欧姆接触的P电极和N电极只能制备在外延表面的同一侧，正面射出的光部分将被接触电极所吸收和键合引线遮挡。造成光吸收更主要的因素是P型GaN层电导率较低，为满足电流扩展的要求，覆盖于外延层表面大部分的半透明NiAu欧姆接触层的厚度应大于5-10 nm，但是要使光吸收最小，则NiAu欧姆接触层的厚度必须非常薄，这样在透光率和扩展电阻率二者之间则要给以适当的折衷，折衷设计的结果必定使其功率转换的提高受到了限制。

倒装芯片技术可增大输出功率、降低热阻，使发光的pn结靠近热沉，提高器件可靠性。2001年Lumileds报道了倒装焊技术在大功率AlInGaN基芯片上的应用，避免了电极焊点和引线对出光效率的影响，改善了电流扩散性和散热性，背反射膜的制备将传向下方的光反射回出光的蓝宝石一方，进一步提升出光效率，外量子效率达21%，功率换效率达20%(200 mA，435 nm)，最大功率达到400 mW(驱动电流1A，435 nm，芯片尺寸1mm x 1mm)，其总体发光效率比正装增加1.6倍。

4)全方位反射膜

除在键合界面制备金属基反射层外，也可以通过外延技术生长具DBR层的AlInGaP和AlInGaN基芯片，但由于DBR反射率随着入射角的增加迅速减少，以全方位平均仍有较高的光损耗，反射膜效率不高。