改進封裝結構

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

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

歐司朗光電半導體公司開發(fā)出ThinGaN技術，可以使用激光器將藍寶石基板從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轉換(CLC)技術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)射藍光和黃光。當與透鏡配合使用時，可以獲得很好的效果。

圖7 通過改進封裝結構來提高發(fā)光效率

傳統(tǒng)的GaN基藍光LED從發(fā)射層側面發(fā)光。與透鏡配合時需要使用反射器，而反射會降低光的利用效率。此外，通常藍光只從芯片中發(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、黃兩種顏色的光具有不同大小的光源，通常會導致色調發(fā)生變化。

2008年，歐司朗光電半導體公司推出新型Golden DRAGON Plus封裝技術，改進了密封樹脂的形狀。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對芯片側壁及層間界面等進行刻蝕，提高了光輸出效率。該公司采用直徑僅數百納米的特殊模具對光線進行折射，以防止來自發(fā)射層的光線在空氣界面出現反射(見圖8)。

圖8 利用表面刻蝕技術提高亮度和發(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芯片廠商已經在采用該技術。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)技術很難處理大面積晶圓，但利用納米印刷技術后，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。圖案中微細孔洞的深度和直徑約為200nm，需要進行優(yōu)化以匹配具體特性(如光波長及芯片成分)。

仿真結果表明： 該技術可以使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寶石基板，從而抑制藍寶石與緩沖膜界面的反射。該公司指出，在GaN晶體生長期間，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，日本三菱化學公司宣布進入LED照明市場，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，該公司并購了三菱電纜工業(yè)公司的LED部門；2009年1月，公司又與美國CREE公司簽訂了關于m面GaN技術的授權協議。工程師認為m面GaN基板優(yōu)于目前普遍使用的藍寶石基板。三菱化學公司信息電子本部SSLD推進業(yè)務規(guī)劃組負責人川名真表示：“m面GaN技術可以使發(fā)光效率提高3倍，達到200lm/W～300lm/W?！痹摴居媱澙迷摷夹g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，但都遇到了生產率低和成本高的難題。三菱化學公司則采用了成本相對較低的液相生長技術。據該公司的川名真透露，到2015年，其制造成本有望降低到與藍光LED芯片相當的水平。

三菱化學公司目前采用的是傳統(tǒng)的LED封裝，其中包括藍光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，將紅色、綠色熒光粉與藍光LED相結合，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，公司希望通過改進熒光粉，在2010年實現100lm/W的發(fā)光效率。

圖9 采用近紫外LED實現高發(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，三菱化學公司的工程師正在嘗試將近紫外LED與紅色、綠色及藍色熒光粉進行組合。該公司計劃于2009財年底推出樣片，2011年開始量產。