減少“Droop效應”和提高光提取效率有助于實現更好、更亮的LED。

在過去十年中，LED已經轉變了固態(tài)照明，LED因其效率高和壽命長，推動了在通用照明中的應用。LED的效率以驚人的速度持續(xù)改善，不僅減少了給定應用的LED數量，還降低了硬件系統(tǒng)的成本，從而提高了采用率并降低了成本。這種效率的提升使得高亮度芯片變小，能夠將密集堆疊的陣列產生出可尋址矩陣，這非常適合于汽車前大燈動態(tài)光束轉向。InGaN LED的固有高速切換使其成為可見光通信或LiFi的理想選擇。

圖1：（a）典型的冷白色、暖白色磷光體轉換高功率照明LED在 J= 350 mA/mm2及Tj= 85 °C時，以及典型高功率汽車前照燈LED在 J= 1000 mA/mm2及Tj= 100 °C時的的功效組成；（b）典型的大功率普通照明LED；（c）典型的大功率汽車照明LED。

LED廣泛滲透到各個市場中，這得歸于藍色LED插頭效率、白色轉換效率、精確定制和控制色點的能力大幅度上升。在本文中，來自加利福尼亞州圣何塞的Lumileds團隊討論了LED的技術細節(jié)，并比較了不同的結構，從而突出了未來改進的機會。在以下各節(jié)中，我們將介紹各種方面：白光LED效率典型損耗（范圍）；大功率LED多層堆疊的外延考慮 - 內部量子效率與衰減的衡量，極性與半極性與非極性GaN的關系；載體擴散和光提取裝置 - 圖案化基板；芯片結構比較。

Droop效應

隨著LED亮度要求的提高，工作電流密度增加，由傳統(tǒng)的35 A/cm2延伸到100 A/cm2以上。這種變化對外延產生了深遠的影響，因為在100 A/cm2的密度時增加內部量子效率與在10-20 A/cm2時增加，重點明顯不同。

在較低的電流密度下，內部量子效率的提高來自材料質量的提高，這是因為間接復合在低電流下占主導地位。

與此形成鮮明對比的是，當LED驅動更加困難時，焦點必須針對Droop效應。今天，行業(yè)普遍支持俄歇復合是最先進工業(yè)設備效率下降的主要原因。由于量子阱內的載流子密度增加，因此在高驅動電流下，俄歇損耗很顯著，這加強了三粒子重組過程的可能性。

減少俄歇重組的一個選擇是用更多的阱引入活躍區(qū)域，因為這有可能降低其中每一個的載流子密度，但是成功幾率不高。電子的不對稱性和空穴的有效質量導致有源區(qū)p側的載流子密度高于n側的載流子密度，并且導致載流子復合的變化。 所以增加量子阱產生的效益可能會很小，甚至沒有。

一個更好的方法是使用帶結構工程。這可以促進更好的載體分布，并確保每個量子阱的載流子密度低。實現這一點，設備的工作點在效率曲線上更高（見圖2）。

圖2. 具有不同載流子分布和材料質量的LED活性區(qū)域的一維器件模擬（a）及相應的內部量子效率（IQE）曲線（b）。

雖然設計用于低Droop的活動區(qū)域通常能夠實現量子阱中載流子的均勻分布，但是它們以犧牲材料質量為代價，并且這增加了非輻射間接復合。通常，低Droop活性區(qū)設計中的銦含量增加會造成材料質量降低。顯然，最佳的LED必須將抗擊效率下垂與高材料質量結合起來，確保低的間接重組（見圖2）。

不想出現Droop效應的另一個選擇是通過電子和空穴波函數更大的疊加來增加輻射復合速率。今天的LED在c面上產生并受到內部電場的困擾，這些電場拉開了電子和空穴并損害了輻射復合。通過切換到半極性和非極性基板來減少或消除有源區(qū)域內的偏振感應電場，可以進行改進。優(yōu)點不僅限于較高的輻射復合，而且在較高驅動電流下降低俄歇復合速率。

實現這一切的承諾并不容易。今天，半極性和非極性器件受到短時間的非輻射復合壽命限制，而且襯底非常昂貴，沒有商業(yè)用途。此外，盡管在這些替代晶體取向方面取得了進展，但是由于載體擴展和材料質量的改進，它們正在追逐移動目標。

提高光提取效率

在現代大功率LED中優(yōu)化光提取的一條途徑包括減少泵浦光子跳躍的次數，即泵浦光子通常在其離開之前在芯片腔內的往返次數，并切割芯片腔內的泵浦吸收。

這兩個關鍵特性（泵浦光子反射次數和泵浦吸收）在兩種常見的架構中都有明顯的不同：倒裝芯片和薄膜（參見圖3的器件架構圖）。薄膜設計提供較小的源尺寸，并且它們在高度定向應用中是優(yōu)選的，而倒裝芯片設計直接連接到板上，而不使用插入器。兩者的共同點是高電流密度和低熱阻，都能夠實現高密度陣列。

除了這兩種設計之外，還有第三種，它是倒裝芯片的一個變體：它通過阻擋藍寶石襯底的側面來重新定向光子穿過管芯的頂側（見圖3（b））。這種設計的優(yōu)點包括：較小的源尺寸和更嚴格的角度輻射模式；更有效的耦合效率；具有更大的設計靈活性。

圖3. 薄膜（TF）和倒裝芯片（FC）設計的比較：（a）薄膜（b）基于倒裝芯片的單面低發(fā)射器（c）基于倒裝芯片的五面發(fā)射器。

從光子跳躍的角度來看，兩種倒裝芯片的設計對藍寶石厚度有很強的依賴性，要優(yōu)于薄膜結構（見圖4）。使用倒裝芯片的結構，藍寶石需要足夠厚以防止大量的光子跳躍 - 例如，對于1 mm2芯片至少為100 mm。

圖4.在相對藍寶石厚度為0.2的情況下，在相對藍寶石厚度（左圖）和光子發(fā)射的角度方向（右圖）影響下的模擬平均光子跳躍。

倒裝芯片結構有兩個特點可以讓跳躍次數顯著減少，從而有利于提取。第一個是由于藍寶石的高折射率，與薄膜相關的GaN逃逸表面的折射率對比度降低。第二種是一旦光進入藍寶石腔，它就可以通過側壁傳播出去，從而減少了向GaN區(qū)域的散射。對于典型的藍寶石厚度，側壁輻射可能占提取效率的30％至40％（見圖5）。

圖5.在倒裝芯片設計中，與總輸出泵浦功率相對應的側發(fā)射和地平線以下的光，對于藍寶石厚度的依賴性。

一般來說，光子彈跳的數量取決于有源區(qū)域光子發(fā)射的角度方向，并且在靠近掠入射角的角度是最多的。但角度與光子彈跳之間的關系并不簡單，因為谷曲線出現在15°和40°之間。在LED的所有三個設計中都可以看到這一特性，并且與圖案化的藍寶石表面界面的復雜傳輸特性有關。請注意，對于較高的光子發(fā)射角度，光子跳躍的平均數量突然升高，與GaN-藍寶石或GaN-硅氧烷界面的臨界角度一致。芯片的側面涂層對光子跳躍的數量有顯著的影響。

對于沒有側面涂層的倒裝芯片，與GaN-硅樹脂相反，在GaN藍寶石臨界角附近的較高角度處，反射數快速增加。這與我們的理解是一致的，因為在藍寶石-硅膠頂面的任何內反射將有第二次機會從藍寶石側壁逃出。倒裝芯片的側面涂層帶來巨大的變化，導致反向散射到GaN中出現增加，隨之而來轉移到GaN硅膠臨界角附近的較低角度的反彈增加。

不同類型設計的提取效率可以用下圖來解釋（參見圖6）。對于倒裝芯片來說，當藍寶石厚度達到0.25左右的相對厚度，提取效率可以快速提高，然后趨于平緩。側涂并不能提高提取效率。當反射不良的涂層與高藍寶石厚度結合使用時，提取效率可能會下降。

圖6.倒裝芯片設計的模擬外部提取效率提升示意圖。

為了獲得完全效率，五面發(fā)光的倒裝芯片更優(yōu)，因為藍寶石腔可以減少背散射光與芯片有損區(qū)域間的相互作用。但是，薄膜設計的凈反射率增益可能對于相對較高的藍寶石厚度而言才顯著。通常，它必須遠遠高于0.1，與反彈次數的依賴性相一致。

我們改進光提取的方法主要是減少泵浦吸收。對于倒裝芯片，當循環(huán)泵浦輻射在芯片腔內傳播時，其衰減通常為每次往返7％。平均來說，8次光子跳躍就能提高85％左右的提取效率。

這種吸收的最大原因是GaN-Ag界面。解決這個弱點的一種方法是切換到復合結構，通過在金屬和半導體之間插入足夠厚的低折射率氧化物層。選擇SiO 2會防止在大約40°臨界錐角內的入射與金屬化相互作用。根據我們的模擬試驗，反射器損耗貢獻可以從50％下降到僅20％。

優(yōu)異的電流擴展也是由復合結構產生的，因為有可能確保注入有源區(qū)的電流絕大多數遠離n-GaN通孔（見圖7）。這在高驅動條件下是特別有利的。

圖7. 在700 mA和3000 mA驅動器操作下，常規(guī)和復合鏡面方案的歸一化模擬和實驗近場的表面亮度圖像。

通過減少光子跳躍次數來增加光耦合的另一措施是優(yōu)化與圖案化藍寶石襯底相關的散射特征。如果使用純藍寶石，在兩個方面會造成不利影響。首先，在最大入射輻射的角度范圍內，出射面的光透射率將會降低。其次，導模的取消將會減少，因為光線被鏡面反射而非衍射。（編譯：LEDinside James）




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