红光LED发光效率的提升方法介绍

　　对目前的红光LED来说，拥有更好的释放效率已经不是不可能的事了，这是由於拥有特殊设计的穿透和反射层的原因，该产品已於晶元光电的两条产品线上开发完成。该公司的Tzer-Perng Chen 和 Min-Hsun Hsieh如是说。

　　目前许多以 AlGaInP 为基材的 LED 大部分被用来提供作为交通号志和汽机车煞车灯的红色光源。然而，此类型的元件如果每单位流明成本更低廉的话，将可以更成功的应用于商品化的产品。例如投影机、液晶电视的背光源以及色温调变装置等。

　　降低每单位流明成本的方法可以使用新技术提高 LDE 的效率，例如改善成长的条件或元件制程的方式，将此元件的内部量子效率提高至理论极限，如此便能提高 LED 元件的发光释放效率。

　　目前已经有许多的技术朝向此目标进行开发研究，但是没有一个是合适的。加入分散式 Bragg 反射器 （distributed Bragg reflector， DBR） 於 LED 中用来降低光源在 GaAs 基板上的吸收，但是反射光源在倾斜入射角度的效率相对低，这是因为明显的光学损失所造成的。改善的方式可以取代该基板替换成可穿透的基材，例如蓝宝石或 GaP，但是依旧还是有缺点，这是因为这些方式并无法释放出有效的热传功率系数，仍须使用最大的驱动电流和流明输出值。不过，表面的型态依旧能增加光的输出，但是若利用传统的化学蚀刻技术则不容易控制边界和蚀刻范围。

　　热传导问题最近使用一种新的方式，藉由取向附生层的转换来通电与热传导基板。然而，即便使用此种先进的方式，光学效力在许多商品化的 620 nm 波长的 LED 仅仅只有 50 lm/W。这意味着高亮度的 LED 的产生来自於多种不同的技术结合而成，如此便无法满足客户对效率的期望。

　　无论如何，在台湾的晶元光电股份有限公司，我们拥有尚未公开发表的新系列 AlGaInP LED，该产品能产生远大於目前技术的效率。针对这些产品，我们将其命名为P和A系列（虽然他们最初是分别被命名为凤凰和宝瓶 LED）。主要的特色在於光的激发效率最少为 50% ，这一切都要归功於额外的多层膜结构的波形表面型态以及不同等级的反射系数。更重要的是，我们使用原有的设备便可从事制造，并且量能满载。

　　我们称此专利的的多层膜结构为「朗伯穿透和反射膜层」，因为他们是依循 Johann Heinrich Lambert 的余弦散射定律。这些结构的反射或发散在垂直於表面的方向拥有极大的强度，在最倾斜的角度则强度最弱。

　　我们的 P-系列和 A-系列的 LED 特色，为 Lambertian 的发射和反射分别在元件的上方和下层。发射器释放出来的光绝大部分都往正前方前进，仅仅有非常少部分的的光线会返回到元件里面，这些有可能被量子所吸收。同时，反射器会经由特定角度，将绝大部分的光源导向基板返回元件，以避免晶片内部的多重反射发生。

　　我们制作我们的 P-系列晶片乃藉由 GaP 表面的 Lambertian 反射器所创造出来的，此乃 AlGaInP 在 GaAs 取向附生层的最上层。在 GaAs 被移除之前，此晶圆先与矽结合。接着我们蚀刻掉 n-type 电镀层而形成 Lambertian 反射器，并明确界定黄金 p-type 与矽基板的背面互相接触。晶圆的问题如下，在元件被结合之前，晶圆会先切成独立的晶片。

　　A-系列的 LED 拥有些许不同的设计，为了将晶圆与蓝宝石相结合，使用穿透率高的黏着薄膜用来作为结合剂，除此之外，制造程序与 P-系列类似。

　　我们的 A-系列晶片会在 615~620nm 被激发，且仅需 2V 的正向电压。在20mA 的电流下，620 nm 会释放出 107 lm/W，而 615 nm 在相同的电流条件下，同样能产生出 130 lm/W。这个产品的最大正向电流等级为 40 mA，本元件的确有足够的能力作为背光源、建筑光源、娱乐和装饰用的光源。

　　P-系列晶片与他们的A-系列尺寸相同，但却是操作於高电流范围，这一切都要感谢矽基板优异的热传导系数，当电流为 250 mA 时，他们可以产生 25 lm（图四），但我们建议驱动电流应维持在 70 mA，这种 LED 同样能适用於我们的A-系列晶片，但是我们仍然将它定位於交通号志、广告招牌和路标等应用。