一引言

LED市場，由于受LED可替代白熾燈和熒光燈，廣泛用于液晶電視背光源潛力的驅(qū)動，近年來正在爆炸式地增長。LED的商業(yè)成功依賴于各個方面，如單晶生長、芯片工藝、以及封裝測試等的持續(xù)改善。

LED 的效率是給定電氣輸入條件下，對LED最終光輸出的度量且由內(nèi)量子效率、光提取效率、電學效率和封裝效率四個因子所決定。內(nèi)量子效率是對給定的電子-空穴對產(chǎn)生可形成多少光子的度量，主要由外延層質(zhì)量。光提取效率定義了形成的光子可逸離LED器件的多少，取決于LED芯片和封裝的結(jié)構(gòu)。

二提高效率的傳統(tǒng)方法

由于半導體介質(zhì)的折射率較高，故LED芯片的光提取效率固有地低。產(chǎn)生的光大多數(shù)在半導體和空氣的交界面發(fā)生內(nèi)部反射，能提取并進入空氣的光只有一小部分。曾經(jīng)提出過好多通過增強光提取效率來提高LED效率的主意。LED業(yè)界采用的兩種主要方法是隨機紋理和成形藍寶石襯底（PSS）技術(shù)。

考慮哪種光提取策略對芯片實際設(shè)計最好非常重要。根據(jù)是否采用藍寶石襯底以及芯片封裝中的連線方法，LED 芯片可分為四種不同類別（圖 1）。

在傳統(tǒng)芯片結(jié)構(gòu)（圖1.a）中，P型氮化鎵層以及P和N型電極均位于位于頂面，電極通過引線鍵合與封裝連接。倒裝芯片LED（圖1.b）， 藍寶石襯底面朝上，電極利用倒芯片鍵合法鍵合于附屬鑲架上。

移除藍寶石襯底和使用傳導支架有許多有利于光提取和散熱的優(yōu)點。通常使用激光剝離技術(shù)移除外延層上的藍寶石襯底以形成薄膜型LED。

在縱向薄膜型LED（圖1.c）中，N型電極位于頂端，支撐導體則作為P型電極。按電流傳播的概念言，電流的垂直流向是這種結(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)點。

沒有通過倒芯片鍵合法鍵合于藍寶石襯底上的LED芯片稱為薄膜倒裝芯片LED（圖1.d），此時，N型和P型電極，如同傳統(tǒng)倒裝芯片LED一樣，都在同一側(cè)。

在傳統(tǒng)型芯片（圖1a）中，頂部隨機紋理化的P型氮化鎵層系一種工業(yè)范疇內(nèi)提高光提取的方法。紋理通常在采用MOCVD進行原位外延生長過程中形成。這是一種有效節(jié)約成本，毋需額外紋理處理步驟的方法。不過，隨著襯底尺寸增加，總產(chǎn)量和一致性的損失都可能成為問題。

在倒裝芯片和薄膜LED 中，為增加光提取，面朝上的N型氮化鎵層應(yīng)該粗糙或作成形處理。通常采用濕法刻蝕技術(shù)對N型氮化鎵層表面紋理化。多數(shù)主流的高亮度LED制造廠都采用這種技術(shù)，而含紋理化N型氮化鎵層的薄膜倒裝芯片LED為已知具有最高超過80%光提取的器件。

成形藍寶石襯底（PSS）技術(shù)是另一種除結(jié)合隨機紋理化制作LED廣泛采用的技術(shù)。該技術(shù)的設(shè)想是采用在微米級成形的藍寶石襯底上生長氮化鎵外延層來替代在平坦襯底上生長。預(yù)計這有兩個好處。首先，由于成形藍寶石襯底（PSS）上生長的外延層的線型位錯密度較，增加了內(nèi)量子效率。其二是由于外延-藍寶石界面已經(jīng)成形的圖案能起散射中心和折射基點的作用，故內(nèi)部總反射減少，從而的光提取效率增大。

三藍寶石襯底的納米級成形

有幾種采用納米級成形技術(shù)提高LED效率的新方法。第一，納米成形化藍寶石襯底（NPSS），可以認為是傳統(tǒng)微米級PSS的延伸。但NPSS需要更高分辨率的光刻技術(shù)，與PSS相比將有明顯優(yōu)勢。盡管，目前尚不知有哪家LED制造廠商生產(chǎn)中使用了NPSS，不過現(xiàn)有的幾篇呈示有望成果的論文表明 NPSS的效率比微米級 PSS 約可高10-20%。一些研究論文表明，NPSS發(fā)光至少會高出10-20％。

從制造工藝的角度看，NPSS的優(yōu)勢可能不僅僅在于提高了效率。與微米級PSS相比，它結(jié)構(gòu)更小，故藍寶石蝕刻的時間便可縮短?？紤]外延生長，NPSS達到平面外延層所需的時間也較短。另外一個重要的設(shè)想是NPSS結(jié)合激光剝離工藝，這樣僅僅利用局部剝離（LLO ）工藝就可在縱向或者薄膜LED上產(chǎn)生紋理而毋需進一步光刻和蝕刻工藝步驟了。此外， NPSS上生長的外延層可能有更好的外延層質(zhì)量，添加了進一步提高效率的潛力。

四光子晶體技術(shù)

光子晶體的技術(shù)，作為光提取技術(shù)最終的選擇項目，被研究的時期已經(jīng)很長。光子晶體的計劃是使用尺度可與光波長比擬的周期或準周期結(jié)構(gòu)作衍射光柵，將光導模式轉(zhuǎn)換為泄漏模式，以造成光輸出增加的結(jié)果。

盡管學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界竭力作過廣泛的研發(fā)，光子晶體方法雖仍未被LED產(chǎn)業(yè)普遍接受，卻已取得了各種成果，視LED芯片設(shè)計，采用的光子晶體，封裝方法等不同方面而有異。某些情況下，結(jié)果優(yōu)于傳統(tǒng)隨機粗化刻蝕，也有不如的。最近飛利浦Lumileds公司在自然光子學雜志上發(fā)表的報告稱光子晶體的光提取效率比未包封極薄（？700nm）隨機粗化氮化鎵層更高。

光子晶體（ PC ）技術(shù)很可能對無包封和磷的LED 芯片有裨益。但白光LED由于使用含磷的包封，采用該技術(shù)的優(yōu)勢似乎并不存在。這是因為包封中的磷使光的方向變得不規(guī)則化，PC的優(yōu)值消失之故。

考慮到這一點，看來只有當封裝后的LED 芯片直接向空中發(fā)光時，PC的全部優(yōu)勢才可能被利用。采用PC也許還另有一些，如在篩選、成品率或量產(chǎn)方面的優(yōu)勢可以補償其比隨機粗化高的工藝成本。

如今，已有一些LED生產(chǎn)商使用PC技術(shù)來增強光輸出。 Luminus Devices 公司已在其各種投影儀和電視背光源使用的大面積、大功率LED 制造中采用了PC技術(shù)，PC結(jié)構(gòu)系采用納米光刻（NI L：nanoimprint lithography）制作。

五外延側(cè)向過生長

外延側(cè)向過生長（ELO：Epitaxial lateral overgrowth）并非一種嶄新技術(shù)，在藍色激光二極管生產(chǎn)中已經(jīng)應(yīng)用。該技術(shù)主要是在氮化鎵層中嵌入成形的介質(zhì)（SiO2 or SiNx）。線型位錯（TD：Threading Dislocation）受嵌入的介質(zhì)阻擋，不能在介質(zhì)層上方生長。氮化鎵外延層則只能通過介質(zhì)上開啟的區(qū)域生長，然后側(cè)向并接。結(jié)果TD密度顯著減少。ELO 技術(shù)由于成本明顯偏高，并非LED 生產(chǎn)選用的技術(shù)，但因為能解決LED 的許多諸如效率降落，非極性氮化鎵以及硅襯底上生長的問題，逐漸又得到了重視。

最近，有關(guān)ELO的LED研究對納米成形介質(zhì)的作用進行了考察。一個重要的觀點是納米成形介質(zhì)可起嵌入光子晶體作用，具有比微米成形介質(zhì)更好的光提取可能性。實際上，微米成形介質(zhì)對光提取并非有利。已有關(guān)于納米 ELO可喜成果的報告，但ELO技術(shù)在LED產(chǎn)業(yè)基于2英寸藍寶石襯底的量產(chǎn)成本相當高，故能否廣泛應(yīng)用尚未可知。不過隨著未來LED生產(chǎn)向更大尺寸（4英寸或6英寸）晶片轉(zhuǎn)移將會打開使用該技術(shù)增加LED效率的可能。

六表面等離子

表面等離子（SP：Surface plasmon）是金屬表面電子振蕩聚合的量子。在納米尺度或納米成形的金屬中，其效應(yīng)大大增強。SP是納米光子學領(lǐng)域的熱門研究課題之一，該技術(shù)已商業(yè)地用于生物傳感且處于光子集成電路研究的心臟。一些研究也已表明SP技術(shù)能增強太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。有些研究組還證實了采用SP技術(shù)后LED 效率的增加。可以認為表面等離子能直接與量子阱（LED 芯片內(nèi)的光發(fā)射區(qū)域）中的電子-空穴對發(fā)生相互作用以增強輻射復合率。但實際的問題是金屬層與量子阱區(qū)的距離必須小于100納米。當金屬層位于LED 頂部時，上述限制意味著P型氮化鎵層應(yīng)非常薄，由此將造成電流的展延困難。

七納米壓印光刻

納米壓印光刻（NIL：Nano imprint lithography）技術(shù)應(yīng)用于LED，擁有許多優(yōu)勢。已經(jīng)證明LED制造采用的襯底納米成形，由于波紋和缺陷的存在，實乃一種挑戰(zhàn)。光刻因這些不規(guī)則將有遭失去聚焦之虞，電子束光刻則過于緩慢和昂貴，采用硬模的傳統(tǒng)NIL也由于上述缺陷的存在而失效。

Obducat為LED納米成形研發(fā)的印壓工藝以兩個工藝步驟為基礎(chǔ)：首先，在專用的軟聚合物薄膜上復制形成中間聚合物模版（IPS：Intermediate Polymer Stamp）。然后在第二工藝步驟中，結(jié)合專用的熱和紫外光并用印壓技術(shù)，此IPS可用于目標襯底上的圖形復制。IPS專利技術(shù)能實行污染控制，利用避免印模和襯底的接觸增加主模的使用壽命，因此對與NIL相關(guān)的整體成本影響極大，使解決方案具有非常的成本效益。

還有一種obducat技術(shù)是利用壓縮空氣將壓力施加給印模和襯底，從而確保整個印壓區(qū)域壓力均勻的軟壓。它使印模和襯底互相一致，消除掉因印模和襯底厚度變化，彎曲或起伏等造成的不利影響。軟壓可在大面積上保留薄而均勻的殘留層，這對高分辨率印壓和圖形傳輸?shù)谋Ｕ娑葮O為關(guān)鍵。

基于LED 產(chǎn)業(yè)對納米成形的需求，Obducat 研發(fā)了利用上述三種技術(shù)，每小時加工30片晶圓的大型Sindre NIL加工機（圖2）。

圖3所示為Sindre 400系統(tǒng)加工的成形氮化鎵顯微照片。

八結(jié)論

納米成形技術(shù)有多種可進一步增強LED器件效率的潛力。對芯片表面光子晶體（PC）的研究雖已有多年，然而與隨機紋理工藝相比，至今仍非克服工藝高成本的好方法。PC的概念也許與納米成形藍寶石襯底（NPSS）和側(cè)向外延生長（ELO）結(jié)合才能存在。而NPSS因是現(xiàn)有技術(shù)的自然擴展，故具有最大商業(yè)成功的潛力且一些有希望的成果業(yè)已得到很多研究組的證實。純粹從與微米級PSS工藝比較的角度看，還可期待NPSS有更多優(yōu)勢。由于NPSS成本上有效和優(yōu)秀的工藝性能，在LED 產(chǎn)業(yè)向高效納米成形LED領(lǐng)域發(fā)展的過程中，納米印壓光刻必將起到關(guān)鍵作用。