大功率全方位反射镜发光二极管性能研究

1. 引言

目前大功率LED光提取效率比较低的一个重要原因是LED 衬底的厚度比较大，很大一部分有源区发射的光入射到衬底层被衬底和电极等材料吸收，从而大大降低光的提取效率，进而影响出光，为了改善这一缺陷，近几年利用全方位反射镜 ( omnidirectional reflector，ODR) 将有源区发出的射向衬底的光反射出去是一个兴起的分支. Tu 等采用ZnO 接触作为反射镜减少光源射向顶部时被不透明电极吸收的部分光线; Horng 等在Si 衬底与有源区之间增加反射镜，并在p，n 区两侧分别做粗糙处理来增加出光，制作工艺复杂; 李一博等的利用Si做转移衬底，Au做反光镜和键合界面，ITO做缓冲层和窗口层制作基于Au /Au直接键合的反光镜，是金属反射镜，与ODR 有本质区别并且在实际操作中需要键合技术，工艺相对复杂; 考虑到Ag / SiO2 作为反射镜时，入射光不论是TE 模态还是TM 模态在不同角度上都有很高的反射率，所以本实验中采用现有的芯片，先将蓝宝石衬底减薄，再在蓝宝石衬底上用PECVD 分别镀上一层SiO2和Ag，即构成了白光ODR LED，制作工艺简单，光强提高显著，利于生产实际. 实验中采用电极形状如图1 所示，ODR LED 芯片剖面结构如图2 所示，图2 中蓝宝石衬底下Mirror 为Ag / SiO2.

2. 实验原理

图2 模拟了光在ODR LED 内部发射时所经过的路径: 当在p，n 电极上加上正向压降时，p 区空穴与n 区电子向有源区运动并发生辐射复合，发出的光线有两条路径，一条直接射出如图2 中路径1，另一条射向衬底下的全方位反射镜，并发生反射，从顶面或侧面射出如图2 中路径2，从而增加光射出的路径，增强LED的光通量与光效.

3. 实验样品

本批实验样品采用扬州华夏集成光电有限公司生产的芯片.对一块外延片整体进行测试，发现测试结果基本一致后试制成芯片. 将该外延片一半制做成普通LED 芯片，另一半制做ODR LED 芯片，芯片的尺寸为40 mil. 选取一个单元中的ODR LED芯片如图3 所示，与图2 比较，可以明显看出芯片亮度不同.

采用半自动针测机对芯片进行点测并选取与点测平均值较近的单元( 包含ODR 芯片与普通芯片各一个单元) 进行试制成LED 样品，这两个单元裸芯片在封装前的点测结果如表1表2 所示. 从表1 表2 测量结果中可以看出: ODR 芯片比普通芯片的光强1847mcd 提高了244 mcd，相对提高了13. 21% ，这是由于ODR 增加反射光; 在通入相同的350 mA 工作电流时，ODR 芯片的电压比普通芯片的电压3. 202 V 增加了0. 002 V，此误差较小可忽略; 其他方面的测量，两种芯片测试结果基本保持一致.

4. 测试结果与分析

4. 1. 光色电测试结果

对封装后的样品选取普通LED 和ODR LED 各7个，两类LED中不同样品各自编号，先进行LED的快速光色电测试，测试仪器为杭州远方HAAS- 2000 LED 快速光色电综合测试量系统，测试温度为25℃，测试电流为350 mA，两组LED 的测试结果如下，表3 中去除5 号、表4 中去除5 号和7 号等性能不佳的样品，两组样品测量反向漏电流时的反向电压均为- 5. 008 V.

从表3 中可以看出，整体样品品质较好，光通量较高，平均值达到76. 62 lm，光效达到65. 11 lm /W， 并且在正常工作电流为350 mA 情况下，电压仅为3. 362 V，色纯度为10. 3% ，但色温偏高，为7010 K; 表4 看出经过ODR LED 处理后的LED 在光学、电 学、色参数方面都有明显改善，光通量到达81. 25 lm，光效为68. 85 lm /W，比普通LED分别提高了4. 23 lm，3 . 74 lm /W，相对提高了6. 04%，5. 74% ，电压为3. 371 V，仅增加了9 mV. 通过ODR LED 与普通LED的主波长、色温对比，我们认为ODR 对于黄绿光的反射作用要强于蓝光，导致ODR LED 的白光光谱中黄绿光相对普通LED 的光强增加量高于蓝光，这一方面导致ODR LED 的色温比普通LED 的色温更低，降低了1804 K，大幅度提高LED 的色温性能; 另一方面导致ODR LED 主波长红移. 而且 ODR LED 的色纯度明显比普通LED 高，提高 8. 1% ，相对提高了78. 64% .

4. 2. 光谱测试

对测试的ODR LED 与普通LED 的发光光谱进行测试，结果如图4 所示，从图中可以看到，两种样品均产生两个波峰，并且两个波峰位置相同，一个峰位于445 nm，属于蓝光光谱范围，另一个峰位于 546 nm，为黄绿光光谱范围，这是由于这批白光LED 样品采用在LED 蓝光芯片上涂覆YAG ( yttrium aluminum garnet，钇铝石榴石) 荧光粉，芯片发出的 蓝光激发荧光粉后可产生典型的500-580 nm 黄绿 光，黄绿光再与蓝光合成白光. 利用这种方法制备白光简单，便于实现且效率高，资金投入不大，因此具有一定的实用性.

从图4( a) ，( b) 中可以看出，ODR LED 与普通LED 的第一个峰位，均位于445 nm 处，两种LED 的 FWHM 均为33 nm 左右，但从图中右上角相对光谱强度可以看出ODR LED 的蓝光光谱强度要高于普通LED; 另一个峰位，两种LED 均位于546 nm，ODR LED 的FWHM 为122. 0 nm，普通LED 的FWHM 为120. 43 nm，ODR LED 的FWHM 要略大于普通LED，仍需改进; ODR LED 中黄绿光的光谱强度也 高于普通LED，这都是由于ODR 的反射作用. 但ODR LED 较普通LED 而言，黄绿光的增加量高于蓝光，我们认为ODR 对于白光中黄绿光的反射强度要高于蓝光，使得白光光谱中黄绿光的增加高于蓝光的增加，这也正是主波长红移和色温降底的原因.

4.3. 电学性能测试

对ODR LED 与普通LED进行I-V 特性测试，测试条件为: 电流从0-1000 mA，间隔2mA，测试温度为25℃，测试结果如图5，从图上可以看出，两种LED 的整体电流电压特性很好，均未出现随着电流增大电压出现饱和的情况，说明这批样品品质较好. 当电流小于400 mA 时，ODR LED 与普通LED 的电流电压曲线基本重合; 当电流大于400 mA 时， ODR LED 的电压比普通LED 的电压较高，并且差距越来越大，但始终在误差范围内. ODR LED 的串联电阻为1. 160 Ω,比普通LED的串联电阻1. 102 Ω仅增加0. 058 Ω，两者基本相同.

式中Id 及Ir 分别是由扩散及复合所引起的饱和电流，Rs 为器件的串联电阻.

若忽略Rs 对工作电流的影响，( 1 ) 式可以简化为

I = Idiff exp[αV] + Ire exp[βV]. ( 2)

从图5 可以看出，当电流处于0-1000 mA 时，I-V 特性曲线呈现两种不同的区域.

当I 400 mA，两种LED 的I-V 特性曲线基本重合，并呈现指数曲线

I = 2. 86 × 10 -3 exp[( 0. 00038V) ]. ( 3)

当I > 400 mA，两种LED 的曲线有所分离，

ODR LED: I = ( 2. 83139 + 0. 00132V) × 10 -3 ，( 4)

普通LED: I = ( 2. 82993 + 0. 00126V) × 10 -3 . ( 5)

由两种LED 曲线的解析( 4) ，( 5) 式也可以看出两种LED 的电压差差距较小，说明ODR LED 处理对LED 器件电压基本无影响.

4. 4. 光学性能测试

对两种LED 的光通量和光效随电流变化进行测量，测量条件与I-V 特性测试相同. 结果如图6 所示，从图中明显看出，两种LED 的光通量随着电流升高而逐渐升高，光效均随着电流的升高而逐渐降低; 而ODR LED 的光通量和光效要始终高于普通LED，这从光通量和光效随电流变化的角度来证实了ODR LED 的优势.

随着电流的逐渐升高，LED 中p，n 区空穴和电子在大电流的驱动下增加了向多量子阱的扩散，使得复合发光逐渐增加，从而增加了光通量，所以两种类型的LED 的光通量均会随着电流的升高而增加. 由于ODR LED 特有的反射作用使得ODR LED 的光通量高于普通LED，并且随着电流的增加其增加的幅度也会高于普通LED. 在光效问题上，在电流逐渐升高时，由于大功率LED 的电流驱动较高，使得芯片内部热效应剧烈，增加了芯片内部非辐射性复合，相对降低芯片的外量子效率，使得芯片光效呈现衰减趋势，导致芯片性能恶化. 但是ODR LED 的光效始终高于普通LED，说明ODR LED 在光衰抗老化中有着显著优势.

4. 5. 色参数性能测试

在LED 的色学参数测试中，实验主要测试了峰值波长、半峰宽、色温随电流的变化而变化，测试电流与前面I-V 特性曲线测试中相同，图7显示峰值波长及半峰宽随电流变化的关系，图8 显示色温随电流变化的关系.

从图7中可以看出，随着电流的增加，峰值波长逐渐发生蓝移，并且ODR LED 的蓝移量为10. 5 nm 要高于普通LED 的蓝移量8. 5 nm，这说明ODR LED 在波长方面的光衰不如普通LED 好. 由于GaN 基材料固有的极化效应，致使多量子阱能带倾斜，产生量子限制斯塔克效应( QCSE) . 随注入电流的增加，多量子阱区的自由载流子增加，由电子和空穴的空间局域性产生的电场可以在一定程度上屏蔽了极化电场，减弱了量子限制斯塔克效应，且超过了热效应引起的红移，使量子阱的有效禁带宽度变大，峰值波向短波移动，发生蓝移; 对于两种LED 半峰宽的增加，可能是由于存在量子限制斯塔克效应，使载流子寿命的降低和光谱的展宽.

LED 的色温是把标准黑体加热温度升高到一定程度时该黑体颜色开始深红-浅红-橙黄- 白-蓝逐渐变化，当某光源与黑体颜色相同时，把黑体当时的绝对温度称为该光源的色温. 从图8 中可以看出，随着电流的增加，两种LED 的色温均呈现增加的趋势，这是由于电流加大后，两种LED 的蓝光发射强度均增加，而荧光粉的厚度是一定的，则在出射的白光中蓝光成份增多，色温增加. 普 通LED 的色温偏高，从开始的6632 K 增加至8251 K，色温始终处于高色温段，且色温变化较大; ODR LED 的色温适中，从5308 K 升高至5619 K，色温始 终处于中色温段，且色温变化幅度要远小于普通LED 灯，说明ODR LED 在色温方面有着绝对的优势---稳定性高.

5. 结论

针对近年来LED 出光效率不高的问题，本文采用简单工艺条件提高LED 的出光效率，并且实验测试结果也证实了这种工艺处理的简易性、可行性和优越性. 从整体上看ODR LED 在光学、电学、色参 数都要比普通LED 有一定的优势，尤其是色参数方面，将大功率LED 从高色温区降低至中色温区，利于视觉的保护，并且随着电流的增加其色温仍在中色温区内，极大的改善功率型LED 的色温缺陷，对生产实际具有一定的指导作用. 感谢扬州华夏集成光电有限公司提供的实验样品和相关工艺帮助，尤其是林岳明博士并对实际样品的实验提供相关的指导与建议.