增加光取出效率的方法 增加光取出效率的方法 增加光取出效率的方法 增加光取出效率的方法

如何提高光取出效率則是目前發展高亮度高功率發光二極體的 瓶頸，主要概念還是藉由結構及材料的改變來減少發光層產生的光在 二極體內部的損耗，依製程大致可分為：

1.有表面織狀結構或粗糙面：

目的是增加光之射出面，原理主要是藉由表面粗糙的結構來減少 全反射的發生，利用光的射出路徑增加光子逃脫機率，進而提高元件 的發光亮度[8]。

圖 2-4 (a)平面晶片之光路徑 (b)有組織粗糙表面晶片之光路徑

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圖 2-5 有表面組織 LED 截面圖

2.用透明基板或反射鏡[28]：

一般有光吸收的基板，很多光會被基板吸收減少光輸出，圖。若 是用透明基板可以減少光被吸收，但透明基板製作不易而且成本高，

所以大部分在有光吸收的基板上加反射鏡。反射鏡有很多種，一般用 高反光金屬材料，例如：Al、Ag、Pt 等，可使二極體所發出的光不 會被吸收，因此被應用來當光的反射層使用。另外一種則是用 DBR(Distributed Bragg Reflector)用多層 λ/4 厚不同折射率的材料做 成反射鏡。它的結構是利用不同折射率的材料多層交錯堆疊而成，利 用折射率的週期性變化，讓入射處形成建設性干涉，因而形成很高的 反射率。

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圖 2-6 光被有吸收性基板吸收

圖 2-7 用透明基板可以使光不被吸收再行放出

圖 2-8 在有吸收性基板上加反射鏡，DBR 也可將光自下反至上

3.圖案化藍寶石基板：

Patterned sapphire substrate(PSS)是近年來才發展出，可以同時增

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加內部量子效率和光取出效率的方法[9] [18]。將藍寶石基板表面利用 乾式或濕式蝕刻作成圖案，藉由表面上形成規則的凹凸的形狀，破壞 光在二極體內部的反射路徑，減少全反射的發生，將光子的路徑導引 至逃脫角內，讓從量子井(MQW)產生的光可以比較容易被取出，進 而增加元件的發光強度[19] [20] [22]。

圖 2-9 圖案化藍寶石基板 LED 結構 4.覆晶技術：

一般傳統 GaN LED 的封裝方式，是使用磊晶面向上的封裝方 式，讓元件的發光效率主要是由上部取出的光決定，通常p-GaN 上 接觸電極面積的設計都很大，因為要使主動區能有均勻的電流分佈，

所以大面積的電極面積會阻擋光的射出，圖為傳統發光二極體封裝，

因為電流分散層(Current Spreading Layer)及導線大多為吸光材料，使 得元件所發出的光會有一部分被吸收，造成發光強度下降。

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圖 2-10 傳統發光二極體封裝示意圖

覆晶技術則是讓光可以從透明的藍寶石基板取出而提升元件的 發光亮度，GaN LED的全反射臨界角過小，光會發生全反射的 機率很大，所以大部分的光都在GaN/Air介面被反射回去，再次 被主動層或其他因素所吸收，故外部量子效率很低，如果光改 由折射係數與空氣較接近且透明的藍寶石基板(nSapphire=1.785)那 一面射出，則Sapphire/Air界面的臨界角會比GaN/Air界面大，因 此可增加光出量，改善外部量子效率低的問題，圖2-11為覆晶技 術結構圖。

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圖2-11 覆晶技術結構[4]

5.幾何形狀改變之結構：

一般 LED 多用平面正方形或長方形的結構，但這些結構容易製 造卻也限制了光的輸出。因為一般半導體材料折射係數與封裝環氧樹 脂的差異大，而使交界面全反射臨界角小，而矩形的四個截面互相平 行，光子在交界面離開半導體的機率變小，讓光子只能在內部全反射 直到被吸收殆盡，使光轉成熱的形式，造成發光效果更不佳。

因此，改變 LED 形狀是一個有效提升發光效率的方法。HP 公司 所發展的TIP(Truncated Inverted Pyramid)型晶粒結構，4 個截面將不 再是互相平行，而光就可很有效地被引出來，外部量子效率則大幅提 升至55%。

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然而HP 的 TIP LED 只適用在易於加工的四元紅光發光二極體 上，對於使用硬度極高的藍寶石(Sapphire)基板之 GaN 系列發光二極 體而言有相當的困難。2001 年初，Cree 公司用同樣的結構，挾著其 基板是SiC 的優勢，也成功將 GaN/SiC 發光二極體同樣作成具有斜面 之LED，並將外部量子效率大幅提昇至 32%。

圖 2-12 正向偏壓下的 TIP LED[5]

圖 2-13 光子在內部反射的路徑橫截面

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