一引言

LED市場(chǎng)，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(dòng)，近年來(lái)正在爆炸式地增長(zhǎng)。LED的商業(yè)成功依賴于各個(gè)方面，如單晶生長(zhǎng)、芯片工藝、以及封裝測(cè)試等的持續(xù)改善。

LED 的效率是給定電氣輸入條件下，對(duì)LED最終光輸出的度量且由內(nèi)量子效率、光提取效率、電學(xué)效率和封裝效率四個(gè)因子所決定。內(nèi)量子效率是對(duì)給定的電子-空穴對(duì)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(dǎo)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(dǎo)體和空氣的交界面發(fā)生內(nèi)部反射，能提取并進(jìn)入空氣的光只有一小部分。曾經(jīng)提出過(guò)好多通過(guò)增強(qiáng)光提取效率來(lái)提高LED效率的主意。LED業(yè)界采用的兩種主要方法是隨機(jī)紋理和成形藍(lán)寶石襯底（PSS）技術(shù)。

考慮哪種光提取策略對(duì)芯片實(shí)際設(shè)計(jì)最好非常重要。根據(jù)是否采用藍(lán)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(guò)引線鍵合與封裝連接。倒裝芯片LED（圖1.b）， 藍(lán)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(lán)寶石襯底和使用傳導(dǎo)支架有許多有利于光提取和散熱的優(yōu)點(diǎn)。通常使用激光剝離技術(shù)移除外延層上的藍(lán)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(dǎo)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(gè)優(yōu)點(diǎn)。

沒有通過(guò)倒芯片鍵合法鍵合于藍(lán)寶石襯底上的LED芯片稱為薄膜倒裝芯片LED（圖1.d），此時(shí)，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(jī)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(jìn)行原位外延生長(zhǎng)過(guò)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(guò)，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(duì)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(guò)80%光提取的器件。

成形藍(lán)寶石襯底（PSS）技術(shù)是另一種除結(jié)合隨機(jī)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(jí)成形的藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)氮化鎵外延層來(lái)替代在平坦襯底上生長(zhǎng)。預(yù)計(jì)這有兩個(gè)好處。首先，由于成形藍(lán)寶石襯底（PSS）上生長(zhǎng)的外延層的線型位錯(cuò)密度較，增加了內(nèi)量子效率。其二是由于外延-藍(lán)寶石界面已經(jīng)成形的圖案能起散射中心和折射基點(diǎn)的作用，故內(nèi)部總反射減少，從而的光提取效率增大。

三藍(lán)寶石襯底的納米級(jí)成形

有幾種采用納米級(jí)成形技術(shù)提高LED效率的新方法。第一，納米成形化藍(lán)寶石襯底（NPSS），可以認(rèn)為是傳統(tǒng)微米級(jí)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(shì)。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(guò)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(jí) PSS 約可高10-20%。一些研究論文表明，NPSS發(fā)光至少會(huì)高出10-20％。

從制造工藝的角度看，NPSS的優(yōu)勢(shì)可能不僅僅在于提高了效率。與微米級(jí)PSS相比，它結(jié)構(gòu)更小，故藍(lán)寶石蝕刻的時(shí)間便可縮短?？紤]外延生長(zhǎng)，NPSS達(dá)到平面外延層所需的時(shí)間也較短。另外一個(gè)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(jìn)一步光刻和蝕刻工藝步驟了。此外， NPSS上生長(zhǎng)的外延層可能有更好的外延層質(zhì)量，添加了進(jìn)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(xiàng)目，被研究的時(shí)期已經(jīng)很長(zhǎng)。光子晶體的計(jì)劃是使用尺度可與光波長(zhǎng)比擬的周期或準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)作衍射光柵，將光導(dǎo)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(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界竭力作過(guò)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(jì)，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(jī)粗化刻蝕，也有不如的。最近飛利浦Lumileds公司在自然光子學(xué)雜志上發(fā)表的報(bào)告稱光子晶體的光提取效率比未包封極薄（？700nm）隨機(jī)粗化氮化鎵層更高。

光子晶體（ PC ）技術(shù)很可能對(duì)無(wú)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(shì)似乎并不存在。這是因?yàn)榘庵械牧资构獾姆较蜃兊貌灰?guī)則化，PC的優(yōu)值消失之故。

考慮到這一點(diǎn)，看來(lái)只有當(dāng)封裝后的LED 芯片直接向空中發(fā)光時(shí)，PC的全部?jī)?yōu)勢(shì)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(shì)可以補(bǔ)償其比隨機(jī)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(lái)增強(qiáng)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(guò)生長(zhǎng)

外延側(cè)向過(guò)生長(zhǎng)（ELO：Epitaxial lateral overgrowth）并非一種嶄新技術(shù)，在藍(lán)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(cuò)（TD：Threading Dislocation）受嵌入的介質(zhì)阻擋，不能在介質(zhì)層上方生長(zhǎng)。氮化鎵外延層則只能通過(guò)介質(zhì)上開啟的區(qū)域生長(zhǎng)，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?yàn)槟芙鉀QLED 的許多諸如效率降落，非極性氮化鎵以及硅襯底上生長(zhǎng)的問題，逐漸又得到了重視。

最近，有關(guān)ELO的LED研究對(duì)納米成形介質(zhì)的作用進(jìn)行了考察。一個(gè)重要的觀點(diǎn)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(shí)際上，微米成形介質(zhì)對(duì)光提取并非有利。已有關(guān)于納米 ELO可喜成果的報(bào)告，但ELO技術(shù)在LED產(chǎn)業(yè)基于2英寸藍(lán)寶石襯底的量產(chǎn)成本相當(dāng)高，故能否廣泛應(yīng)用尚未可知。不過(guò)隨著未來(lái)LED生產(chǎn)向更大尺寸（4英寸或6英寸）晶片轉(zhuǎn)移將會(huì)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(qiáng)。SP是納米光子學(xué)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(qiáng)太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。有些研究組還證實(shí)了采用SP技術(shù)后LED 效率的增加?？梢哉J(rèn)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(duì)發(fā)生相互作用以增強(qiáng)輻射復(fù)合率。但實(shí)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(dāng)金屬層位于LED 頂部時(shí)，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(shì)。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(shí)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(guò)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L(zhǎng)ED納米成形研發(fā)的印壓工藝以兩個(gè)工藝步驟為基礎(chǔ)：首先，在專用的軟聚合物薄膜上復(fù)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(biāo)襯底上的圖形復(fù)制。IPS專利技術(shù)能實(shí)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(duì)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(gè)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(duì)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(duì)納米成形的需求，Obducat 研發(fā)了利用上述三種技術(shù)，每小時(shí)加工30片晶圓的大型Sindre NIL加工機(jī)（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(jìn)一步增強(qiáng)LED器件效率的潛力。對(duì)芯片表面光子晶體（PC）的研究雖已有多年，然而與隨機(jī)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(lán)寶石襯底（NPSS）和側(cè)向外延生長(zhǎng)（ELO）結(jié)合才能存在。而NPSS因是現(xiàn)有技術(shù)的自然擴(kuò)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(shí)。純粹從與微米級(jí)PSS工藝比較的角度看，還可期待NPSS有更多優(yōu)勢(shì)。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(guò)程中，納米印壓光刻必將起到關(guān)鍵作用。