鄒賢軍

摘 要：LED是一種新型綠色節(jié)能光源，具有廣闊的市場和潛在的照明應用前景。隨著LED各類產品的普及和應用，市場對LED產品的各項技術指標都提出了更高的要求，特別是對LED產品亮度的要求。從LED精拋時間長短與亮度的關系入手，闡述如何提高LED芯片的亮度。

關鍵詞：LED芯片；拋光時間；半導體晶片；P-N結

中圖分類號：TM312+.8 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.05.104

在當前全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，以低能耗、低污染和低排放為基礎的“低碳經濟”成為全球熱點。低碳經濟的實質之一是通過發(fā)展新技術提高能源利用效率。歐美發(fā)達國家大力推進以高能效、低排放為核心的“低碳革命”，著力發(fā)展“低碳技術”，并對產業(yè)、能源、技術、貿易等政策進行重大調整。LED是一種新型固態(tài)照明光源，與傳統(tǒng)光源相比，具有低電壓、低能耗、長壽命、高可靠性以及耐震動和抗沖擊等特點。這使得LED在照明市場的前景備受矚目。

目前，LED已經被應用于臺燈、手電筒、廣告屏幕、電視屏、指示燈和汽車車燈等局部照明領域。一些城市的光伏照明樣板工程也已采用LED燈，但實際照明效果并不太理想，主要原因在于LED燈的亮度不夠、發(fā)光效率不高。為繼續(xù)提升LED產品的普及度，則必須在“如何提高LED芯片亮度”上下功夫。

1 LED技術概述

1.1 LED概念

LED，即發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導體器件，它可以直接將電轉化為光。LED的“心臟”是一個半導體晶片，附著在LED燈株支架上，它的一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是“P”形半導體，在它里面空穴占主導地位；另一部分是“N”形半導體，其內部主要是電子。當這兩種半導體連接起來時，它們之間就形成一個“P-N”結。當電流通過導線作用于半導體晶片時，電子就會被推向P區(qū)。在P區(qū)內，電子跟空穴復合，以光子的形式發(fā)出能量。光的顏色由光的波長決定，而光的波長是由形成P-N結的材料決定的。

1.2 LED的發(fā)光原理

發(fā)光二極管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，比如GaAs、GaP、GaAsP等半導體制成的，其核心是P-N結。因此，它具有一般P-N結的I-N特性，即正向導通，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進入對方區(qū)域的少數載流子一部分與多數載流子復合而發(fā)光。假設發(fā)光是在P區(qū)發(fā)生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復合發(fā)光。除了這種復合發(fā)光方式外，還有些電子被非發(fā)光中心捕獲，而后再與空穴復合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復合量與非發(fā)光復合量的比例越大，光量子效率越高。由于復合是在少子擴散區(qū)內發(fā)光的，因此光僅在靠近P-N結面數微米以內產生。理論和實踐證明，光的峰值波長λ與發(fā)光區(qū)域半導體材料的禁帶寬度Eg有關，即

λ≈1 240/Eg（nm）. （1）

式（1）中：Eg的單位為電子伏特（eV）。

如果能產生可見光，半導體材料的Eg應在1.63～3.26 eV之間。比紅光波長長的光為紅外光。

2 LED芯片亮度的提高方法

提高LED芯片亮度的方法主要有以下幾種：①通過控制半導體材料的生產工藝，可獲得高質量的P-N結，達到獲得較高的發(fā)光效率的目的，以此提高芯片亮度。②提高熒光粉的發(fā)光效率。通過研發(fā)新工藝和新材料，可獲得穩(wěn)定性好、發(fā)光效率高的熒光粉，達到提高芯片亮度的目的。③在芯片背面增加一層光學薄膜層，可增強芯片背面的光源反射，提高芯片正面出光效率，從而提高芯片亮度。④降低芯片背面的粗糙度，也可增強芯片背面的光源反射，提高芯片正面出光效率，從而提高芯片亮度。

化學拋光是降低芯片背面粗糙度方法之一。所謂“化學拋光”，是指利用統(tǒng)一粒徑的SIO2拋光液在一定的工藝條件下對芯片背面進行精細打磨，以降低芯片背面的粗糙度。圖1所示為化學拋光工藝。

為驗證芯片精拋時間長短與亮度的關系，筆者特進行了如下實驗。

實驗步驟如下：①選取同一外延機臺同爐、同圈、同尺寸芯片共40片。要求該批芯片點測亮度接近，相差不超過5 mW，且品級全為A品。②將這40片芯片按序號10片一盤打散分到4個盤進行研磨拋光作業(yè)。每盤的精拋時間依次增加10 min。③研磨拋光作業(yè)時，要控制研磨和拋光厚度，要求每盤至少拋光25 μm。所有片子拋光后，盤內厚度平均值與其他盤平均厚度差值應小于3 μm，且同一盤內片子的厚度偏差應小于4 μm。精拋前，要記錄各盤的研磨厚度。另外，精拋作業(yè)必須在相同精拋機、相同手臂下進行，并在清洗后測量每片的翹曲度。④背鍍作業(yè)要求同一盤片子在同一RUN、同一圈背鍍，切割作業(yè)要求在同一臺切割機下進行。⑤切裂后，要求用同一點測機點測。⑥整理數據，統(tǒng)計點分點測結果，并撰寫實驗報告。

實驗數據記錄結果如表1所示。

根據圖2可知，隨著精拋時間的延長，薄片的翹曲度逐漸增大。

在實驗過程中，由于實驗片量較少，出現了誤差，精拋30 min

的K值小于20 min。但從精拋時間與K值變化的對應關系圖可知，隨著精拋時間的延長，點分的亮度K值總體呈上升趨勢。圖3所示為精拋時間與K值變化的對應關系。

綜上可知，隨著精拋時間的延長，芯片背面的粗糙度逐漸降低。

3 結論

通過實驗得出，延長精拋時間、降低芯片背面的粗糙度均可在一定程度上提高芯片的亮度。

參考文獻

[1]陳振官.光電子電路及制作實例[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[2]肖宏志.半導體照明的基礎——白光LED[J].中國照明電器，2009（3）.

〔編輯：劉曉芳〕