减少“Droop 效应”和提高光萃取效率有助于实现更好、更亮的 LED。在过去 10 年中，LED 已经转变了固态照明，LED 因其效率高和寿命长，推动了在一般照明中的应用。LED 的效率以惊人的速度持续改善，不仅减少了给定应用的 LED 数量，还降低了硬件系统的成本，进而提高了采用率并降低了成本。这种效率的提升使得高亮度芯片变小，能够将密集堆叠的阵列产生出可定址矩阵，这非常适合于车头灯动态光束转向。 InGaN LED 的固有高速切换使其成为可见光通讯或 Li-Fi 的理想选择。
▲ 图1：（a）典型的冷白色、暖白色磷光体转换高功率照明 LED在 J= 350 mA/mm2 及 Tj= 85°C 时，以及典型高功率车头灯 LED 在 J= 1000 mA/mm2 及 Tj= 100 °C时的功效组成；（b）典型的大功率普通照明 LED；（c）典型的大功率汽车照明 LED。
LED 广泛渗透到各个市场中，这得归功于蓝色 LED 插头效率、白色转换效率、精确定制和控制色点的能力大幅度上升。在本文中，来自加州圣荷西的 Lumileds 团队讨论了 LED 的技术细节，并比较了不同的结构，进而突出了未来改进的机会。在以下各节中，我们将介绍各种方面：白光 LED 效率典型损耗（范围）；大功率 LED 多层堆叠的磊晶考虑—内部量子效率与衰减的衡量，极性与半极性与非极性 GaN 的关系；载体扩散和光萃取装置—图案化基板；芯片结构比较。
Droop 效应
随着 LED 亮度要求的提高，工作电流密度增加，由传统的 35 A/cm2 延伸到 100 A/cm2 以上。这种变化对磊晶产生了深远的影响，因为在 100 A/cm2 的密度时增加内部量子效率与在 10-20 A/cm2 时增加，重点明显不同。
在较低的电流密度下，内部量子效率的提高来自材料质量的提高，这是因为间接复合在低电流下占主导地位。
与此形成鲜明对比的是，当 LED 驱动更加困难时，焦点必须针对 Droop 效应。今天，产业普遍支持欧杰复合是最先进工业设备效率下降的主要原因。由于量子井内的载流子密度增加，因此在高驱动电流下，欧杰损耗很显著，这加强了三粒子重组过程的可能性。
减少欧杰重组的一个选择是用更多的井引入活跃区域，因为这有可能降低其中每一个的载流子密度，但是成功几率不高。电子的不对称性和电洞的有效质量导致有源区 p 侧的载流子密度高于 n 侧的载流子密度，并且导致载流子复合的变化。所以增加量子井产生的效益可能会很小，甚至没有。
一个更好的方法是使用能带结构工程。这可以促进更好的载体分布，并确保每个量子井的载流子密度低。实现这一点，设备的工作点在效率曲线上更高（见图 2）。
▲ 图 2：具有不同载流子分布和材料质量的 LED 活性区域的一维元件模拟（a）及相应的内部量子效率（IQE）曲线（b）。
虽然设计用于低 Droop 的活动区域通常能够实现量子井中载流子的均匀分布，但是它们以牺牲材料质量为代价，并且这增加了非辐射间接复合。通常，低 Droop 活性区设计中的铟含量增加会造成材料质量降低。显然，最佳的 LED 必须将对抗效率下垂与高材料质量结合起来，确保低的间接重组（见图 2）。
不想出现 Droop 效应的另一个选择是通过电子和电洞波函数更大的叠加来增加辐射复合速率。今天的 LED 在 c 面上产生并受到内部电场的困扰，这些电场拉开了电子和电洞并损害了辐射复合。通过切换到半极性和非极性基板来减少或消除有源区域内的偏振感应电场，可以进行改进。优点不仅限于较高的辐射复合，而且在较高驱动电流下降低欧杰复合速率。
实现这一切的承诺并不容易。今天，半极性和非极性元件受到短时间的非辐射复合寿命限制，而且基底非常昂贵，没有商业用途。此外，尽管在这些替代晶体取向方面取得了进展，但是由于载体扩展和材料质量的改进，它们正在追逐移动目标。
提高光萃取效率
在现代大功率 LED 中优化光萃取的一条途径包括减少泵浦光子跳跃的次数，即泵浦光子通常在其离开之前在芯片腔内的往返次数，并切割芯片腔内的泵浦吸收。
这两个关键特性（泵浦光子反射次数和泵浦吸收）在两种常见的架构中都有明显的不同：倒装芯片和薄膜（参见图 3 的元件架构图）。薄膜设计提供较小的源尺寸，并且它们在高度定向应用中是优选的，而倒装芯片设计直接连接到板上，而不使用插入器。两者的共同点是高电流密度和低热阻，都能够实现高密度阵列。
除了这 2 种设计之外，还有第 3 种，它是倒装芯片的一个变体：它通过阻挡蓝宝石基底的侧面来重新定向光子穿过管芯的顶侧（见图 3（b））。这种设计的优点包括：较小的源尺寸和更严格的角度辐射模式；更有效的耦合效率；具有更大的设计灵活性。
▲ 图 3：薄膜（TF）和倒装芯片（FC）设计的比较：（a）薄膜（b）基于倒装芯片的单面低发射器（c）基于倒装芯片的五面发射器。
从光子跳跃的角度来看，2 种倒装芯片的设计对蓝宝石厚度有很强的依赖性，要优于薄膜结构（见图 4）。使用倒装芯片的结构，蓝宝石需要够厚以防止大量的光子跳跃—例如，对于 1 奈米 2 芯片至少为 100 mm。
▲ 图 4：在相对蓝宝石厚度为 0.2 的情况下，在相对蓝宝石厚度（左图）和光子发射的角度方向（右图）影响下的模拟平均光子跳跃。
倒装芯片结构有两个特点可以让跳跃次数显著减少，从而有利于光萃取。第一个是由于蓝宝石的高折射率，与薄膜相关的 GaN 逃逸表面的折射率对比度降低。第二种是一旦光进入蓝宝石腔，它就可以通过侧壁传播出去，进而减少了向 GaN 区域的散射。对于典型的蓝宝石厚度，侧壁辐射可能占提取效率的 30% 至 40%（见图 5）。
▲ 图 5：在倒装芯片设计中，与总输出泵浦功率相对应的侧发射和地平线以下的光，对于蓝宝石厚度的依赖性。
一般来说，光子弹跳的数量取决于有源区域光子发射的角度方向，并且在靠近掠射角的角度是最多的。但角度与光子弹跳之间的关系并不简单，因为谷曲线出现在 15° 和 40° 之间。在 LED 的所有 3 个设计中都可以看到这一特性，并且与图案化的蓝宝石表面界面的复杂传输特性有关。请注意，对于较高的光子发射角度，光子跳跃的平均数量突然升高，与 GaN-蓝宝石或 GaN-硅氧烷界面的临界角度一致。芯片的侧面涂层对光子跳跃的数量有显著的影响。
对于没有侧面涂层的倒装芯片，与 GaN-硅树脂相反，在 GaN 蓝宝石临界角附近的较高角度处，反射数快速增加。这与我们的理解是一致的，因为在蓝宝石-硅胶顶面的任何内反射将有第二次机会从蓝宝石侧壁逃出。倒装芯片的侧面涂层带来巨大的变化，导致反向散射到 GaN 中出现增加，随之而来转移到 GaN 硅胶临界角附近的较低角度的反弹增加。
不同类型设计的提取效率可以用下图来解释（参见图 6）。对于倒装芯片来说，当蓝宝石厚度达到 0.25 左右的相对厚度，提取效率可以快速提高，然后趋于平缓。侧涂并不能提高萃取效率。当反射不良的涂层与高蓝宝石厚度结合使用时，萃取效率可能会下降。
▲ 图 6：倒装芯片设计的模拟外部萃取效率提升示意图。
为了获得完全效率，五面发光的倒装芯片更优，因为蓝宝石腔可以减少背散射光与芯片有损区域间的相互作用。但是，薄膜设计的净反射率增益可能对于相对较高的蓝宝石厚度而言才显著。通常，它必须远远高于 0.1，与反弹次数的依赖性相一致。
我们改进光萃取的方法主要是减少泵浦吸收。对于倒装芯片，当循环泵浦辐射在芯片腔内传播时，其衰减通常为每次往返 7%。平均来说，8 次光子跳跃就能提高 85% 左右的萃取效率。
这种吸收的最大原因是 GaN-Ag 界面。解决这个弱点的一种方法是切换到复合结构，通过在金属和半导体之间插入够厚的低折射率氧化物层。选择 SiO 2 会防止在大约 40° 临界锥角内的入射与金属化相互作用。根据我们的模拟试验，反射器损耗贡献可以从 50% 下降到仅 20%。
优异的电流扩展也是由复合结构产生的，因为有可能确保注入有源区的电流绝大多数远离 n-GaN 通孔（见图 7）。这在高驱动条件下是特别有利的。
▲ 图 7：在 700 mA 和 3000 mA 驱动器操作下，常规和复合镜面方案的归一化模拟和实验近场的表面亮度图像。
透过减少光子跳跃次数来增加光耦合的另一措施是优化与图案化蓝宝石基底相关的散射特征。如果使用纯蓝宝石，在两个方面会造成不利影响。首先，在最大入射辐射的角度范围内，出射面的光透射率将会降低。其次，导模的取消将会减少，因为光线被镜面反射而非绕射。
（本文由 LEDinside 授权转载；首图来源：Unsplash）
