改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)

除了增強(qiáng)散熱性能外，提高發(fā)光效率的其它方法還包括改變芯片結(jié)構(gòu)和封裝以及使用新材料等。

在照明應(yīng)用中采用高亮度LED封裝的情況越來越多，有的是在單一封裝中集成多個(gè)微型芯片，有的只采用一個(gè)大型芯片。大型芯片中，從生成到發(fā)射的光通路較長(zhǎng)，其中的衰減會(huì)降低發(fā)光效率。通過更改芯片結(jié)構(gòu)，在基板上涂覆GaN(氮化鎵)層，這個(gè)問題最近已經(jīng)得到解決。

歐司朗光電半導(dǎo)體公司開發(fā)出ThinGaN技術(shù)，可以使用激光器將藍(lán)寶石基板從GaN基芯片上剝離下來，再貼到鍺晶圓上。ThinGaNLED的光利用率較高，97%的光都能夠從芯片表面發(fā)射出來。

該公司還采用芯片級(jí)轉(zhuǎn)換(CLC)技術(shù)直接將熒光粉涂覆在芯片發(fā)射表面(見圖7)，這樣就可以從同一表面發(fā)射藍(lán)光和黃光。當(dāng)與透鏡配合使用時(shí)，可以獲得很好的效果。

圖7 通過改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)來提高發(fā)光效率

傳統(tǒng)的GaN基藍(lán)光LED從發(fā)射層側(cè)面發(fā)光。與透鏡配合時(shí)需要使用反射器，而反射會(huì)降低光的利用效率。此外，通常藍(lán)光只從芯片中發(fā)出，黃光則從含有熒光粉的密封樹脂中發(fā)出，這意味著藍(lán)、黃兩種顏色的光具有不同大小的光源，通常會(huì)導(dǎo)致色調(diào)發(fā)生變化。

2008年，歐司朗光電半導(dǎo)體公司推出新型Golden DRAGON Plus封裝技術(shù)，改進(jìn)了密封樹脂的形狀。公司采用透明的樹脂，并將其表面加工為凸透鏡的形狀(見圖7)。透鏡形狀的表面可以使樹脂-空氣界面的全反射最小，從而將樹脂層的光輸出提高10%～15%。

便宜的納米刻蝕

日本SCIVAX公司通過利用納米印刷技術(shù)對(duì)芯片側(cè)壁及層間界面等進(jìn)行刻蝕，提高了光輸出效率。該公司采用直徑僅數(shù)百納米的特殊模具對(duì)光線進(jìn)行折射，以防止來自發(fā)射層的光線在空氣界面出現(xiàn)反射(見圖8)。

圖8 利用表面刻蝕技術(shù)提高亮度和發(fā)光效率

納米刻蝕芯片表面的想法在幾年前就被提出，有些LED芯片廠商已經(jīng)在采用該技術(shù)。SCIVAX公司副總裁奧田德路解釋了其能以低成本提高發(fā)光效率的原因：“傳統(tǒng)技術(shù)很難處理大面積晶圓，但利用納米印刷技術(shù)后，處理單一LED晶圓的成本即可降至僅幾百日元?！?

首先將樹脂旋轉(zhuǎn)涂覆在LED晶圓的p型GaN層表面，然后將帶有凹凸圖案的硅模片壓在樹脂上，再利用離子刻蝕從p型GaN上剝離GaN，以顯示出凹凸圖案。圖案中微細(xì)孔洞的深度和直徑約為200nm，需要進(jìn)行優(yōu)化以匹配具體特性(如光波長(zhǎng)及芯片成分)。

仿真結(jié)果表明： 該技術(shù)可以使LED芯片發(fā)光亮度提高20%～30%。此外，在發(fā)光層形成以前，也可以將該工藝用于藍(lán)寶石基板，從而抑制藍(lán)寶石與緩沖膜界面的反射。該公司指出，在GaN晶體生長(zhǎng)期間，采用該工藝還可以減少晶格缺陷。

發(fā)光效率提高3倍

最近，日本三菱化學(xué)公司宣布進(jìn)入LED照明市場(chǎng)，希望通過采用由新型m面GaN(m-plane GaN)基板材料制造的芯片來大幅提高發(fā)光效率。2008年，該公司并購(gòu)了三菱電纜工業(yè)公司的LED部門；2009年1月，公司又與美國(guó)CREE公司簽訂了關(guān)于m面GaN技術(shù)的授權(quán)協(xié)議。工程師認(rèn)為m面GaN基板優(yōu)于目前普遍使用的藍(lán)寶石基板。三菱化學(xué)公司信息電子本部SSLD推進(jìn)業(yè)務(wù)規(guī)劃組負(fù)責(zé)人川名真表示：“m面GaN技術(shù)可以使發(fā)光效率提高3倍，達(dá)到200lm/W～300lm/W?！痹摴居?jì)劃利用該技術(shù)為白光LED提供高顯色性和高發(fā)光效率，并將與照明廠商通力合作，生產(chǎn)和銷售LED燈具。

也有其它公司正在開發(fā)m面GaN基板LED，但都遇到了生產(chǎn)率低和成本高的難題。三菱化學(xué)公司則采用了成本相對(duì)較低的液相生長(zhǎng)技術(shù)。據(jù)該公司的川名真透露，到2015年，其制造成本有望降低到與藍(lán)光LED芯片相當(dāng)?shù)乃健?

三菱化學(xué)公司目前采用的是傳統(tǒng)的LED封裝，其中包括藍(lán)光LED與黃色熒光粉(見圖9)。公司下一步將利用其熒光粉專用技術(shù)，將紅色、綠色熒光粉與藍(lán)光LED相結(jié)合，打造具有高顯色性的LED封裝。目前這類封裝的發(fā)光效率較低，公司希望通過改進(jìn)熒光粉，在2010年實(shí)現(xiàn)100lm/W的發(fā)光效率。

圖9 采用近紫外LED實(shí)現(xiàn)高發(fā)光效率和高顯色性

m面GaN基底也是未來LED的理想選擇。為了提高發(fā)光效率，并提供良好的顯色性，三菱化學(xué)公司的工程師正在嘗試將近紫外LED與紅色、綠色及藍(lán)色熒光粉進(jìn)行組合。該公司計(jì)劃于2009財(cái)年底推出樣片，2011年開始量產(chǎn)。