一、引言

眾所周知，LED是一種電發(fā)光器件，其基本的物理過(guò)程是電能向光能的轉(zhuǎn)變。所謂提高LED的功率，即是提高電輸入能量，同時(shí)又能獲得盡可能大的光功率輸出。通常將單位輸入功率所產(chǎn)生的光能（光通量）謂之光電轉(zhuǎn)換功率，簡(jiǎn)稱(chēng)光效。早期的LED由于光效很低（-0.1 lm/w），亮度很低，通常只用于表示亮、暗的狀態(tài)，作指示燈之用。上世紀(jì)九十年代初，超高亮四元系LED的出現(xiàn)，使器件亮度有了數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)，特別是緊接著的GaN基藍(lán)、綠光及白光LED的出現(xiàn)，使LED的應(yīng)用方向發(fā)生了巨大的改變。固態(tài)照明已成為21世紀(jì)人類(lèi)追求的重要目標(biāo)。顯然，不斷地提高LED的輸入功率與發(fā)光效率是實(shí)現(xiàn)通用照明的必由之路。假設(shè)LED的光效為100 lm/w，那么要達(dá)到一只40支光（瓦）的白熾燈所發(fā)出的600 lm的光通量，LED的輸入功率必須達(dá)到6w。然而，目前一只Φ5的標(biāo)準(zhǔn)LED的輸入功率通常為0.04～0.07w，遠(yuǎn)不能滿足實(shí)用照明的需要。大量實(shí)踐表明，LED不能加大輸入功率的基本原因，是由于LED在工作過(guò)程中會(huì)放出大量的熱，使管芯結(jié)溫迅速上升，輸入功率越高，發(fā)熱效應(yīng)越大。溫度的升高將導(dǎo)致器件性能的變化與衰減，甚至失效。本文就功率器件中的升溫效應(yīng)對(duì)性能的影響及其如何減小這種升溫效應(yīng)的途徑作一些簡(jiǎn)明的討論。

二、LED器件溫升估計(jì)

設(shè)芯片面積為1.2×1.2mm2，厚度為200um，GaAs襯底。由于外延層很薄，忽略外延層材料與襯底之間的差異，不考慮電極的影響，那么芯片的體積約為2.88×10×4cm3。GaAs晶體的比重為5.318（克/cm3），故芯片重量約為15.3×10-4克。設(shè)器件的工作電流為100mA，如其中約90％的電功率轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，那么在不考慮芯片向周?chē)h(huán)境散熱的條件下，器件在接通電流20分鐘后，計(jì)算得芯片的溫度可達(dá)到5×105?C，計(jì)算中使用的GaAs晶體比熱數(shù)據(jù)為0.33焦耳/克?度?？梢?jiàn)其溫升效應(yīng)的嚴(yán)重性。這里只是把芯片作為一個(gè)均勻的發(fā)熱體加以考慮，如考慮到結(jié)處溫升的集中效應(yīng)，情況將更加嚴(yán)重。慶幸的是，在芯片的升溫過(guò)程中，芯片不可能處于絕熱狀態(tài)，而總是以某種方式與其周?chē)慕橘|(zhì)或環(huán)境進(jìn)行著熱交換，最終達(dá)到熱平衡，使芯片的溫度維持在一個(gè)較低的水準(zhǔn)上。

三、結(jié)溫對(duì)LED性能的影響

1、結(jié)溫對(duì)LED光輸出的影響

實(shí)驗(yàn)指出，發(fā)紅、黃光的InGaAlP LED與發(fā)藍(lán)、綠光的InGaN LED，其光輸出強(qiáng)度均明顯依賴(lài)于器件的結(jié)溫。也就是說(shuō)，當(dāng)LED的結(jié)溫升高時(shí)，器件的輸出光強(qiáng)度將逐漸減??；而當(dāng)結(jié)溫下降時(shí)，光輸出強(qiáng)度將增大，一般情況下，這種變化是可逆與可恢復(fù)的，當(dāng)溫度回到原來(lái)的值，光強(qiáng)也會(huì)回復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。

指出了InGaAlP LED的光輸出相對(duì)量隨溫度的變化，這里以25?C作為器件性能的基準(zhǔn)點(diǎn)。由圖可知，InGaAlP 橙色的LED比紅色的LED具有更高的溫度靈敏度。當(dāng)結(jié)溫升至100?C時(shí)，琥珀色器件的輸出通量降去了75％。圖1（b）是InGaAlP LED的另一組光輸出的溫度數(shù)據(jù)，設(shè)25?C時(shí)LED的值為100，那么當(dāng)結(jié)溫升至100?C時(shí)，640nm、620nm與590nm的InGaAlP LED的光輸出分別為原始值的42％、30％與20％。

結(jié)溫對(duì)光輸出影響的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（1）所示：

ΦV（T2）=ΦV（T1）e-kΔT （1）

其中，ΦV（T2）表示結(jié)溫T2的光通量輸出；ΦV（T1）表示結(jié)溫T1的光通量輸出；K為溫度系數(shù)；ΔT=T2- T1。

一般情況下，K值可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，對(duì)于InGaAlP LED相關(guān)的K值如表1所示：

由上表可知，對(duì)于InGaAlP LED，溫度系數(shù)僅與器件的發(fā)光波長(zhǎng)有關(guān)，而與襯底是否透明無(wú)關(guān)，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)指出，InGaAlP的發(fā)光波長(zhǎng)越短，K值越大。器件的出光通量隨溫度增加衰減得越快。對(duì)于InGaN系列的LED，出光通量隨溫度的變化遠(yuǎn)小于InGaAlP LED。典型結(jié)果如圖２所示。由圖可知，隨著發(fā)光波長(zhǎng)變短，光輸出通量隨溫度的變化越不明顯。表２列出了相對(duì)于25?C而言，100?C結(jié)溫時(shí)光輸出通量的相對(duì)數(shù)值。

式（2）指出了光輸出通量隨結(jié)溫變化的另一種表示形式

ΦT2=ΦT1e-（T2-T1/T0） （2）

這里T0代表一種特征溫度。T0值與材料有關(guān)，實(shí)驗(yàn)指出，對(duì)于紅色的InGaAlP LED，T0=85?C；對(duì)于琥珀色的InGaAlP LED，T0≈85?C；而對(duì)于InGaN LED，T0值約為840?C，表明InGaN器件的溫度系數(shù)遠(yuǎn)小于發(fā)紅、黃光的InGaAlP器件，也即光通量隨溫度增加而減小的速率要比InGaAlP LED小得多。

一般情況下，光輸出通量隨結(jié)溫的增加而減小的效應(yīng)是可逆的，也即當(dāng)溫度回復(fù)到初始溫度時(shí)，光輸出通量會(huì)有一個(gè)恢復(fù)性的增長(zhǎng)。這種效應(yīng)的發(fā)生機(jī)制顯然是由于材料的一些相關(guān)參數(shù)會(huì)隨溫度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致器件參數(shù)的變化。如隨溫度的增加，電子與空穴的濃度會(huì)增加，禁帶寬度會(huì)減小，電子遷移率也將減小。這些參量的變化必須引致器件輸出光通量的改變。然而當(dāng)溫度恢復(fù)至初態(tài)時(shí)，器件參數(shù)的表化也將隨之消失，輸出光通量也會(huì)恢復(fù)至初態(tài)值。

表3是大功率器件AP-HLR-01的測(cè)試結(jié)果，每一次測(cè)量之間進(jìn)行了-40?C-140?C的冷熱循環(huán)老化試驗(yàn)。測(cè)量數(shù)據(jù)指出，每次測(cè)量的數(shù)據(jù)都能很好地重復(fù)，冷熱循環(huán)老化試驗(yàn)也未改變器件的性能，表明在一定的條件下，LED器件的性能隨電流的變化是可逆的。顯然，在大電流時(shí)光效的變小是由于溫度上升所引起的，當(dāng)測(cè)試電流減至小電流時(shí)，光效數(shù)據(jù)又恢復(fù)到初始值。

2、高溫下器件性能的衰變

在高溫下，LED的光輸出特性除會(huì)發(fā)生可恢復(fù)性的變化外，還將隨時(shí)間產(chǎn)生一種不可恢復(fù)的永久性的衰變。圖3指出了Lumileds公司型號(hào)為L(zhǎng)uxeon大功率器件的光輸出通量隨時(shí)間的衰變情況。對(duì)于同一類(lèi)LED器件，在相同的工作電流時(shí)，結(jié)溫越高器件的輸出光強(qiáng)衰減得越快。對(duì)于一個(gè)確定的器件而言，一般來(lái)說(shuō)，結(jié)溫的大小取決于工作電流與環(huán)境溫度。工作電流固定以后，環(huán)境溫度越高，結(jié)溫就越高，器件性能的衰減速率就越快。反之，當(dāng)環(huán)境溫度確定后，器件的工作電流越大，結(jié)溫也將越高，器件性能衰減的速率就越快。

圖4指出了一只典型的InGaAlP器件在不同的工作電流時(shí)，輸出光通量的相對(duì)值隨時(shí)間的衰減曲線。很顯然，當(dāng)器件的工作電流加大時(shí)，器件的光輸出特性將衰變得更快。

為確保一個(gè)LED器件的正常工作條件，讓器件的結(jié)溫低于某一個(gè)確定的值Tj，是十分必要的。為此，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減小工作電流，直至當(dāng)環(huán)境溫度升至臨界溫度Tj時(shí)，將工作電流減至零，此時(shí)結(jié)溫將等于環(huán)境溫度，如圖5所示。

通常有二種原因促成高溫條件下LED器件輸出性能的永久性衰減，一個(gè)原因是材料內(nèi)缺陷的增殖，眾所周知，現(xiàn)代的高亮LED器件通常都采用MOCVD技術(shù)在GaAs，藍(lán)寶石等異質(zhì)襯底上外延生長(zhǎng)InGaAlP或InGaN等材料制成，為提高發(fā)光效率，外延材料均含有多層結(jié)構(gòu)，由于各外延層之間存在著或多或少的晶格失配，從而在界面上形成大量的諸如位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)缺陷，在較高溫度時(shí)，這些缺陷會(huì)快速增殖，繁衍，直至侵入發(fā)光區(qū)，形成大量的非輻射復(fù)合中心，嚴(yán)重降低器件的注入效率與發(fā)光效率。另外，在高溫條件下，材料內(nèi)的微缺陷及來(lái)自界面與電板的快擴(kuò)雜質(zhì)也會(huì)引入發(fā)光區(qū)，形成大量的深能級(jí)，同樣會(huì)加速LED器件的性能衰變。

高溫時(shí)，LED封裝環(huán)氧的變性，是LED性能衰變乃至失效的又一個(gè)主要原因。通常，LED用的封裝環(huán)氧存在著一個(gè)重要特性，即當(dāng)環(huán)氧溫度超過(guò)一個(gè)特定溫度Tg=125?C時(shí)，封裝環(huán)氧的特性將從一種剛性的類(lèi)玻璃狀態(tài)轉(zhuǎn)變成一種柔軟的似橡膠態(tài)狀物質(zhì)。此時(shí)材料的膨脹系數(shù)急劇增加，形成一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，如圖6所示。這個(gè)拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度即為環(huán)氧樹(shù)脂的玻璃狀轉(zhuǎn)換溫度，其值通常為125?C。當(dāng)器件在此溫度附近或高于此溫度變化時(shí)，將發(fā)生明顯的膨脹或收縮，致使芯片電板與引線受到額外的壓力，而發(fā)生過(guò)度疲勞乃至脫落損壞。此外，當(dāng)環(huán)氧處于較高溫度時(shí)（即使未超過(guò)轉(zhuǎn)變溫度Tg），特別是與芯片臨近部分的封裝環(huán)氧會(huì)逐漸變性，發(fā)黃，影響封裝環(huán)氧的透光性能。這是一個(gè)潛移默化的過(guò)程，隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)，LED將逐漸失去光澤。顯然工作溫度越高，這種過(guò)程將進(jìn)行得越快。為解決這一困難，特別在大功率器件的制作過(guò)程中，一些先進(jìn)的封裝結(jié)構(gòu)已摒棄了環(huán)氧樹(shù)脂材料而改用一些性能更為穩(wěn)定的諸如玻璃、PC等材料制作透鏡；另一個(gè)重要方法是讓環(huán)氧不直接接觸芯片表面，之間填充一種膠狀的，性能穩(wěn)定的透明硅膠。實(shí)踐證明，通過(guò)如此改進(jìn)，器件的性能與穩(wěn)定度獲得了明顯改善。

3、結(jié)溫對(duì)發(fā)光波長(zhǎng)的影響

LED的發(fā)光波長(zhǎng)一般可分成峰值波長(zhǎng)與主波長(zhǎng)二類(lèi)，前者表示光強(qiáng)最大的波長(zhǎng)，而主波長(zhǎng)可由X、Y色度坐標(biāo)決定，反映了人眼所感知的顏色。顯然，結(jié)溫所引致的LED發(fā)光波長(zhǎng)的變化將直接造成人眼對(duì)LED發(fā)光顏色的不同感受。對(duì)于一個(gè)LED器件，發(fā)光區(qū)材料的禁帶寬度值直接決定了器件發(fā)光的波長(zhǎng)或顏色。InGaAlP與InGaN材料屬I(mǎi)II-V族化合物半導(dǎo)體。它們的性質(zhì)與GaAs相仿，當(dāng)溫度升高時(shí)，材料的禁帶寬度將減小，導(dǎo)致器件發(fā)光波長(zhǎng)變長(zhǎng)，顏色發(fā)生紅移。

通?？蓪⒉ㄩL(zhǎng)隨結(jié)溫的變化表示如下：

λ（T2）=λ（T1）+ΔT?K（nm/?C） （3）

其中：λ（T2）表示結(jié)溫T2時(shí)的波長(zhǎng)；λ（T1）表示結(jié)溫T1時(shí)的波長(zhǎng)；K表示波長(zhǎng)隨溫度變化的系數(shù)。

表4指出了InGaAlP與InGaN器件的主波長(zhǎng)與峰值波長(zhǎng)K值，由表可知，對(duì)于InGaN有InGaAlP LED，峰值波長(zhǎng)隨溫度的變化要大于主波長(zhǎng)隨溫度的變化，其中InGaAlP LED尤甚。

人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的顏色感知靈敏度是存在著很大的差異，如圖7所示：在藍(lán)、綠、黃區(qū)域，很小的波長(zhǎng)變化就將引致人眼感覺(jué)上的變化。從而對(duì)藍(lán)、綠、黃器件的溫升效應(yīng)提出了更高的要求。一般來(lái)說(shuō)，2～5nm的波長(zhǎng)變化人眼就可以感覺(jué)到；而對(duì)紅光波長(zhǎng)的變化，人眼的感覺(jué)就要相對(duì)遲鈍一些，但也能感覺(jué)到15nm的波長(zhǎng)差異。為定量地表明人眼對(duì)不同波長(zhǎng)顏色的感知程度，有些公司的產(chǎn)品將顏色與波長(zhǎng)的關(guān)系列出了主波長(zhǎng)的顏色倉(cāng)，如表5所示。

顯然，對(duì)于琥珀（黃）顏色，由于人眼最為靈敏，因此顏色倉(cāng)的波長(zhǎng)間隔分得很細(xì)，僅為2-3nm，但對(duì)于紅色區(qū)域，其間隔擴(kuò)大到15nm。這就是說(shuō)，為什么對(duì)黃色交通信號(hào)燈的顏色標(biāo)定與均勻度的要求較高，而紅色交通燈的顏色要求相對(duì)要低得多。

4、結(jié)溫對(duì)LED正向電壓的影響

正向電壓是判定LED性能的一個(gè)重要參量，它的數(shù)值取決于半導(dǎo)體材料的特性，芯片尺寸以及器件的成結(jié)與電極制作工藝。相對(duì)于20mA的正向電流通常InGaAlP LED的正向電壓在1.8V~2.2V之間，而發(fā)藍(lán)、綠光的InGaN LED的正向電壓處在3.0V—3.5V之間。在小電流近似下，LED器件的正向壓降可由式表示：

Vf=（nKT/q）ln（If/Io）+RsIf （4）

式中Vf為正向電壓，If為正向電流，Io為反向飽和電流，q為電子電荷，K是玻爾茲曼常數(shù)，Rs是串聯(lián)電阻，n是表征P/N結(jié)完美性的一個(gè)參量，處在1-2之間。分析式（4）的右邊發(fā)現(xiàn)只是反向飽和電流Io與溫度密切相關(guān)，Io值隨結(jié)溫的升高而增大，導(dǎo)致正向電壓Vf值的下降。實(shí)驗(yàn)指出，在輸入電流恒定的情況下，對(duì)于一個(gè)確定的LED器件，二端的正向壓降與溫度的關(guān)系可由式（5）表示：

VfT= VfTo+K（T-To） （5）

式中VfT與VFTo分別表示結(jié)溫為T(mén)與To時(shí)的正向壓降，K是壓降隨溫度變化的系數(shù)，對(duì)于InGaAlP與InGaN LED，其K值大致可由表6所示。有人給出了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表7、表8所示。

電壓隨溫度的變化是可恢復(fù)的，但如在高溫情況下，由于結(jié)區(qū)缺陷與雜質(zhì)的大量增殖與集聚，也將造成額外復(fù)合電流的增加，而使正向電壓下降。通常，恒流是LED工作的較好模式，如在恒壓條件下，由于溫升效應(yīng)使正向電壓下降與正向電流增加，并形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致器件損壞。

四、減小LED溫升效應(yīng)的對(duì)策

LED的輸入功率是器件熱效應(yīng)的唯一來(lái)源，能量的一部分變成了輻射光能，其余部分最終均變成了熱，從而抬升了器件的溫度。顯然，減小LED溫升效應(yīng)的主要方法，一是設(shè)法提高器件的電光轉(zhuǎn)換效率（又稱(chēng)外量子效率），使盡可能多的輸入功率轉(zhuǎn)變成光能，另一個(gè)重要的途徑是設(shè)法提高器件的熱散失能力，使結(jié)溫產(chǎn)生的熱，通過(guò)各種途徑散發(fā)到周?chē)h(huán)境中去。

1、LED器件的量子效率

所謂LED器件的量子效率，即是器件的電能轉(zhuǎn)換成光能的能力，通常可將這種電光轉(zhuǎn)換能力定義為外量子效率ηex，它是器件的注入效率ηJ、內(nèi)量子效率ηi、電子輸運(yùn)效率ηf和出光效率ηo的總和。

ηex=ηJ?ηi?ηf?ηo （6）

對(duì)于InGaAlP與InGaN LED器件中，由于P-N結(jié)二邊的禁帶寬度Eg與摻雜濃度均有一個(gè)較大差異，通常ηJ ?1；由于器件發(fā)光區(qū)等結(jié)構(gòu)，一切外延生長(zhǎng)形成，發(fā)光區(qū)的P-N結(jié)為突變結(jié)，電子輸運(yùn)效率也接近于1。此外，鑒于當(dāng)前InGaAlP與InGaN的器件結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)工藝十分成熟，實(shí)踐證明，現(xiàn)代技術(shù)已足夠使內(nèi)量子效率提高到接近100％的水平。因此，LED器件的外量子效率主要取決于出光效率ηo，如將管芯看作是一個(gè)吸收系數(shù)為α，體積為v，被面積為Ai的N個(gè)面所包圍的光學(xué)腔，那么該管芯的出光效率可表示為：

ηN=ΣAiTi /〔Σ（1-Ri）Ai+4αv〕 （7）

這里，Ti與Ri分別是Ai的透過(guò)率與反射率。對(duì)于一個(gè)實(shí)際的LED管芯，計(jì)算表明，芯片表面很小的透過(guò)率是LED器件出光效率變得很小的主要原因。其起因是由于芯片表面二側(cè)物質(zhì)所存在的較大的折射率差異，如圖8所示，當(dāng)芯片內(nèi)的光沿方面1射向表面并沿方向2射入空氣，根據(jù)折射定律：

n1Sinθ1= n2Sinθ2 （8）

通常芯片材料的折射率n1≈3.6，空氣的折射率n2=1?？伤愕媒缑嫣幇l(fā)生全反射（θ2=90?）的臨界角θ1=θ0=16.2?，也就是說(shuō)，從芯片內(nèi)部射向表面的光束，只有4％可以射出表面，其余的光能大部分反射回芯片材料內(nèi)部而被（襯底）吸收。

2、提高LED出光效率的幾個(gè)途徑

（1）透明襯底技術(shù)

InGaAlP LED通常是在GaAs襯底上外延生長(zhǎng)InGaAlP發(fā)光區(qū)GaP窗口區(qū)制備而成。與InGaAlP相比，GaAs材料具有小得多的禁帶寬度，因此，當(dāng)短波長(zhǎng)的光從發(fā)光區(qū)與窗口表面射入GaAs襯底時(shí)，將被悉數(shù)吸收，成為器件出光效率不高的主要原因。在襯底與限制層之間生長(zhǎng)一個(gè)布喇格反射區(qū)，能將垂直射向襯底的光反射回發(fā)光區(qū)或窗口，部分改善了器件的出光特性。一個(gè)更為有效的方法是先去除GaAs襯底，代之于全透明的GaP晶體。由于芯片內(nèi)除去了襯底吸收區(qū)，使量子效率從4％提升到了25-30％。三年前，為進(jìn)一步減小電極區(qū)的吸收，有人將這種透明襯底型的InGaAlP器件制作成截角倒錐體的外形，使量子效率有了更大的提高，如圖9所示。顯然，這種截角倒錐體形狀的器件使透光面積增得更大，在紅光區(qū)，這類(lèi)器件的外量子效率可超過(guò)50％。

圖10指出了各類(lèi)器件的光通量與正向電流的關(guān)系，明顯表明了三類(lèi)器件光通量的差異。對(duì)于吸收襯底的器件，由于量子效率很低，極大部分的輸入能量變成了熱，在很小的正向電流下，器件的結(jié)溫就升得很高，使光通量迅速下降。透明襯底的LED器件，由于相當(dāng)一部分輸入電能變成了光能，相對(duì)地減少了升溫效應(yīng)，使器件可在大得多的電流狀態(tài)下工作。

（2）金屬膜反射技術(shù)

如果說(shuō)透明襯底工藝首先起源于美國(guó)的HP、Lumileds等公司，那么金屬膜反射法主要被日本、***等地的一些公司進(jìn)行了大量的研究與發(fā)展。這種工藝不但回避了透明襯底專(zhuān)利，而且，更利于規(guī)模生產(chǎn)。其效果可以說(shuō)與透明襯底法具有異曲同工之妙。該工藝通常謂之MB工藝，其基本要點(diǎn)如圖11所示。首先去除GaAs襯底，然后在其表面與Si基底表面同時(shí)蒸鍍Al質(zhì)金屬膜，然后在一定的溫度與壓力下熔接在一起。如此，從發(fā)光層照射到基板的光線被Al質(zhì)金屬膜層反射至芯片表面，從而使器件的發(fā)光效率提高2.5倍以上。實(shí)驗(yàn)證明，MB型紅色LED，當(dāng)電流為400mA與800mA時(shí)，光通量可分別達(dá)到37lm與74lm。該類(lèi)器件已在日本三肯電氣、***國(guó)聯(lián)、全新等公司進(jìn)入小批量生產(chǎn)。與傳統(tǒng)器件相比，光效得到了大幅度提高。除MB結(jié)構(gòu)的器件外，***國(guó)聯(lián)還開(kāi)發(fā)了一種謂之GB型的高亮度InGaAlP LED的新一代器件。所謂GB是英文Giga Bright的縮寫(xiě)。該工藝是采用一種新型的透明膠，將具有GaAs吸收襯底的LED外延片與一片藍(lán)寶石基板粘合在一起，隨后再將GaAs吸收襯底去除，并在外延層上制作電極，從而獲得了很高的發(fā)光效率。

（3）表面微結(jié)構(gòu)技術(shù)

表面微結(jié)構(gòu)工藝是提高器件出光效率的又一個(gè)有效技術(shù)，該技術(shù)的基本要點(diǎn)是在芯片表面刻蝕大量尺寸為光波長(zhǎng)量級(jí)的小結(jié)構(gòu)，每個(gè)結(jié)構(gòu)呈截角四面體狀，如此不但擴(kuò)展了出光面積，而且改變了光在芯片表面處的折射方向，從而使透光效率明顯提高。圖12指出了在具有紋理結(jié)構(gòu)LED芯片的N種出光模式，由于紋理邊緣的存在，使許多本來(lái)大于臨界角的光可通過(guò)邊緣部位的反射或折射透射出器件表面。顯然，表面處紋理結(jié)構(gòu)的存在，在出光機(jī)理上等同于大幅度增加了窗口層的厚度。窗口層的厚度越薄，紋理腐蝕得越深，則出光率的增加將越明顯。測(cè)量指出，對(duì)于窗口層厚度為20μm的器件，出光效率可增長(zhǎng)30％。當(dāng)窗口層厚度減至10μm時(shí)，出光效率將有60％的改進(jìn)。對(duì)于585-625nm波長(zhǎng)的LED器件，制作紋理結(jié)構(gòu)后，發(fā)光效率可達(dá)30lm/w，其值已接近透明襯底器件的水平。

（4）倒裝芯片技術(shù)

通常蘭綠光及白光LED的結(jié)構(gòu)如圖13所示。通過(guò)MOCVD技術(shù)在蘭寶石襯底上生長(zhǎng)GaN基LED結(jié)構(gòu)層，由P/N結(jié)發(fā)光區(qū)發(fā)出的光透過(guò)上面的P型區(qū)射出。由于P型GaN傳導(dǎo)性能不佳，為獲得良好的電流擴(kuò)展，需要通過(guò)蒸鍍技術(shù)在P區(qū)表面形成一層Ni-Au組成的金屬電極層。P區(qū)引線通過(guò)該層金屬薄膜引出。為獲得好的電流擴(kuò)展，Ni-Au金屬電極層就不能太薄。為此，器件的發(fā)光效率就會(huì)受到很大影響，通常要同時(shí)兼顧電流擴(kuò)展與出光效率二個(gè)因素。但無(wú)論在什么情況下，金屬薄膜的存在，總會(huì)使透光性能變差。此外，引線焊點(diǎn)的存在也使器件的出光效率受到影響。

采用GaN LED倒裝芯片的結(jié)構(gòu)可以從根本上消除上面的問(wèn)題，如圖14所示。由于芯片倒裝于Si基墊上，LED發(fā)出的光直接透過(guò)蘭寶石射出，不存在上述的Ni-Au金屬膜與引線電極，因此出射的光沒(méi)有損失，加上下面P-GaN層上蒸鍍有Ag反射膜，進(jìn)一步增強(qiáng)了出射光的強(qiáng)度。圖15指出了蘭綠光LED的量子效率隨峰值波長(zhǎng)的變化。實(shí)驗(yàn)指出，在450~530nm的峰值波長(zhǎng)區(qū)域，倒裝功率型LED器件的量子效率要比普通型器件高出1.6倍。

3、LED散熱機(jī)制的分析

正如上述，對(duì)于一個(gè)常規(guī)的LED器件，90％以上的輸入功率將轉(zhuǎn)換成熱。為使器件能維持一個(gè)合適的溫度，正常工作，這些熱量必須通過(guò)管殼基板等媒介散發(fā)到周?chē)h(huán)境中去。

通常將二個(gè)節(jié)點(diǎn)間單位熱功率輸運(yùn)所產(chǎn)生的溫度差定義為該二個(gè)節(jié)點(diǎn)間的熱阻，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

Rθ=ΔT/PD （9）

其中Rθ為節(jié)點(diǎn)1與2之間的熱阻，ΔT為節(jié)點(diǎn)1與2之間的溫差，PD為二點(diǎn)間的熱功率流。熱阻Rθ表示了二點(diǎn)間的熱散失能力，Rθ越大，散熱能力越差；反之Rθ越小，散熱能力越強(qiáng)。當(dāng)電功率V=VF?IF施加到LED上后，在器件的P-N結(jié)處將產(chǎn)生大量的熱，致使芯片溫度迅速升高，由于器件良好的散熱特性，大部分熱量將通過(guò)銀漿、管殼、散熱基板，PCB散發(fā)到周?chē)h(huán)境中去，從而抑制了器件芯片的升溫。

類(lèi)同于電學(xué)中的電阻特性，熱阻也存在著相同的運(yùn)算法則，當(dāng)n個(gè)LED安裝于同一塊基板上時(shí)，其熱流圖如圖17所示。

圖中Tj、Tc與TB分別代表了某個(gè)LED管的P-N結(jié)區(qū)，管殼與基板處的溫度、RθJ-C、RθC-B、RθB-A分別代表P-N結(jié)與管殼、管殼與基板、基板與環(huán)境之間的熱阻，那么，該LED列陣的總熱阻可表示為：

RθJ-A= RθJ-C + RθC-B +RθB-A （10）

其中，1/ΣRθJ-C=Σ（1/ RθJ-C），1/ΣRθC-B=Σ（1/ RθC-B），上式滿足的基本條件是陣列中所有LED具有完全相同的參數(shù)。

熱阻Rθ是LED的一個(gè)重要參量，當(dāng)我們知道了某一器件的熱阻的Rθ數(shù)值，那么根據(jù)式（9），即可求得LED的結(jié)溫：

Tj=TA+PDRθJ-A （11）

其中Tj為器件的P-N結(jié)溫，TA為環(huán)境溫度，PD=I?V為器件的耗散功率，RθJ-A為器件P-N結(jié)與環(huán)境之間的熱阻。

顯然，LED的熱阻將嚴(yán)重影響器件的使用條件與性能，圖18指出了不同熱阻值的器件的最大正向電流與環(huán)境溫度的關(guān)系，由圖可見(jiàn)，當(dāng)熱阻較小時(shí)，光通量幾乎與正向電流成正比例增加，當(dāng)熱阻較大時(shí)，由于P-N結(jié)溫的上升，當(dāng)正向電流加大到某值時(shí)，光通量將趨于飽和，并隨之逐漸下降。對(duì)于一個(gè)LED管，設(shè)法降低P-N結(jié)與采用環(huán)境之間的熱阻是提高器件散熱能力的根本途徑。由于環(huán)氧膠是低熱導(dǎo)材料，因此P-N結(jié)處產(chǎn)生的熱量很難通過(guò)透明環(huán)氧向上散失到環(huán)境中去，大部分熱量通過(guò)襯底、銀漿、管殼、環(huán)氧粘接層、PCB與熱沉向下發(fā)散。顯然，相關(guān)材料的導(dǎo)熱能力將直接影響器件的熱散失效率。表9與表10指出了若干常用襯底與熱沉材料的導(dǎo)熱系數(shù)值，銀漿與環(huán)氧的數(shù)據(jù)未在表中列出。他們的導(dǎo)熱系數(shù)值分別為2.7與0.2～0.8（w/mk）。實(shí)驗(yàn)指出，對(duì)于一個(gè)普通型（Φ5）的LED，從P-N結(jié)區(qū)環(huán)境溫度的總熱阻在300～600?C/w之間；對(duì)于一個(gè)具有良好結(jié)構(gòu)的功率型LED器件，其總熱阻約為15～30?C/w。巨大的熱阻差異表明普通型器件只能在很小的輸入功率條件下，才能正常地工作，而功率型器件的耗散功率可大到瓦級(jí)甚至更高。

四、減小LED溫升效應(yīng)的對(duì)策

LED的輸入功率是器件熱效應(yīng)的唯一來(lái)源，能量的一部分變成了輻射光能，其余部分最終均變成了熱，從而抬升了器件的溫度。顯然，減小LED溫升效應(yīng)的主要方法，一是設(shè)法提高器件的電光轉(zhuǎn)換效率（又稱(chēng)外量子效率），使盡可能多的輸入功率轉(zhuǎn)變成光能，另一個(gè)重要的途徑是設(shè)法提高器件的熱散失能力，使結(jié)溫產(chǎn)生的熱，通過(guò)各種途徑散發(fā)到周?chē)h(huán)境中去。

1、LED器件的量子效率

所謂LED器件的量子效率，即是器件的電能轉(zhuǎn)換成光能的能力，通常可將這種電光轉(zhuǎn)換能力定義為外量子效率ηex，它是器件的注入效率ηJ、內(nèi)量子效率ηi、電子輸運(yùn)效率ηf和出光效率ηo的總和。

ηex=ηJ?ηi?ηf?ηo （6）

對(duì)于InGaAlP與InGaN LED器件中，由于P-N結(jié)二邊的禁帶寬度Eg與摻雜濃度均有一個(gè)較大差異，通常ηJ ?1；由于器件發(fā)光區(qū)等結(jié)構(gòu)，一切外延生長(zhǎng)形成，發(fā)光區(qū)的P-N結(jié)為突變結(jié)，電子輸運(yùn)效率也接近于1。此外，鑒于當(dāng)前InGaAlP與InGaN的器件結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)工藝十分成熟，實(shí)踐證明，現(xiàn)代技術(shù)已足夠使內(nèi)量子效率提高到接近100％的水平。因此，LED器件的外量子效率主要取決于出光效率ηo，如將管芯看作是一個(gè)吸收系數(shù)為α，體積為v，被面積為Ai的N個(gè)面所包圍的光學(xué)腔，那么該管芯的出光效率可表示為：

ηN=ΣAiTi /〔Σ（1-Ri）Ai+4αv〕 （7）

這里，Ti與Ri分別是Ai的透過(guò)率與反射率。對(duì)于一個(gè)實(shí)際的LED管芯，計(jì)算表明，芯片表面很小的透過(guò)率是LED器件出光效率變得很小的主要原因。其起因是由于芯片表面二側(cè)物質(zhì)所存在的較大的折射率差異，如圖8所示，當(dāng)芯片內(nèi)的光沿方面1射向表面并沿方向2射入空氣，根據(jù)折射定律：

n1Sinθ1= n2Sinθ2 （8）

通常芯片材料的折射率n1≈3.6，空氣的折射率n2=1。可算得界面處發(fā)生全反射（θ2=90?）的臨界角θ1=θ0=16.2?，也就是說(shuō)，從芯片內(nèi)部射向表面的光束，只有4％可以射出表面，其余的光能大部分反射回芯片材料內(nèi)部而被（襯底）吸收。

2、提高LED出光效率的幾個(gè)途徑

（1）透明襯底技術(shù)

InGaAlP LED通常是在GaAs襯底上外延生長(zhǎng)InGaAlP發(fā)光區(qū)GaP窗口區(qū)制備而成。與InGaAlP相比，GaAs材料具有小得多的禁帶寬度，因此，當(dāng)短波長(zhǎng)的光從發(fā)光區(qū)與窗口表面射入GaAs襯底時(shí)，將被悉數(shù)吸收，成為器件出光效率不高的主要原因。在襯底與限制層之間生長(zhǎng)一個(gè)布喇格反射區(qū)，能將垂直射向襯底的光反射回發(fā)光區(qū)或窗口，部分改善了器件的出光特性。一個(gè)更為有效的方法是先去除GaAs襯底，代之于全透明的GaP晶體。由于芯片內(nèi)除去了襯底吸收區(qū)，使量子效率從4％提升到了25-30％。三年前，為進(jìn)一步減小電極區(qū)的吸收，有人將這種透明襯底型的InGaAlP器件制作成截角倒錐體的外形，使量子效率有了更大的提高，如圖9所示。顯然，這種截角倒錐體形狀的器件使透光面積增得更大，在紅光區(qū)，這類(lèi)器件的外量子效率可超過(guò)50％。

圖10指出了各類(lèi)器件的光通量與正向電流的關(guān)系，明顯表明了三類(lèi)器件光通量的差異。對(duì)于吸收襯底的器件，由于量子效率很低，極大部分的輸入能量變成了熱，在很小的正向電流下，器件的結(jié)溫就升得很高，使光通量迅速下降。透明襯底的LED器件，由于相當(dāng)一部分輸入電能變成了光能，相對(duì)地減少了升溫效應(yīng)，使器件可在大得多的電流狀態(tài)下工作。

（2）金屬膜反射技術(shù)

如果說(shuō)透明襯底工藝首先起源于美國(guó)的HP、Lumileds等公司，那么金屬膜反射法主要被日本、***等地的一些公司進(jìn)行了大量的研究與發(fā)展。這種工藝不但回避了透明襯底專(zhuān)利，而且，更利于規(guī)模生產(chǎn)。其效果可以說(shuō)與透明襯底法具有異曲同工之妙。該工藝通常謂之MB工藝，其基本要點(diǎn)如圖11所示。首先去除GaAs襯底，然后在其表面與Si基底表面同時(shí)蒸鍍Al質(zhì)金屬膜，然后在一定的溫度與壓力下熔接在一起。如此，從發(fā)光層照射到基板的光線被Al質(zhì)金屬膜層反射至芯片表面，從而使器件的發(fā)光效率提高2.5倍以上。實(shí)驗(yàn)證明，MB型紅色LED，當(dāng)電流為400mA與800mA時(shí)，光通量可分別達(dá)到37lm與74lm。該類(lèi)器件已在日本三肯電氣、***國(guó)聯(lián)、全新等公司進(jìn)入小批量生產(chǎn)。與傳統(tǒng)器件相比，光效得到了大幅度提高。除MB結(jié)構(gòu)的器件外，***國(guó)聯(lián)還開(kāi)發(fā)了一種謂之GB型的高亮度InGaAlP LED的新一代器件。所謂GB是英文Giga Bright的縮寫(xiě)。該工藝是采用一種新型的透明膠，將具有GaAs吸收襯底的LED外延片與一片藍(lán)寶石基板粘合在一起，隨后再將GaAs吸收襯底去除，并在外延層上制作電極，從而獲得了很高的發(fā)光效率。

（3）表面微結(jié)構(gòu)技術(shù)

表面微結(jié)構(gòu)工藝是提高器件出光效率的又一個(gè)有效技術(shù)，該技術(shù)的基本要點(diǎn)是在芯片表面刻蝕大量尺寸為光波長(zhǎng)量級(jí)的小結(jié)構(gòu)，每個(gè)結(jié)構(gòu)呈截角四面體狀，如此不但擴(kuò)展了出光面積，而且改變了光在芯片表面處的折射方向，從而使透光效率明顯提高。圖12指出了在具有紋理結(jié)構(gòu)LED芯片的N種出光模式，由于紋理邊緣的存在，使許多本來(lái)大于臨界角的光可通過(guò)邊緣部位的反射或折射透射出器件表面。顯然，表面處紋理結(jié)構(gòu)的存在，在出光機(jī)理上等同于大幅度增加了窗口層的厚度。窗口層的厚度越薄，紋理腐蝕得越深，則出光率的增加將越明顯。測(cè)量指出，對(duì)于窗口層厚度為20μm的器件，出光效率可增長(zhǎng)30％。當(dāng)窗口層厚度減至10μm時(shí)，出光效率將有60％的改進(jìn)。對(duì)于585-625nm波長(zhǎng)的LED器件，制作紋理結(jié)構(gòu)后，發(fā)光效率可達(dá)30lm/w，其值已接近透明襯底器件的水平。

（4）倒裝芯片技術(shù)

通常蘭綠光及白光LED的結(jié)構(gòu)如圖13所示。通過(guò)MOCVD技術(shù)在蘭寶石襯底上生長(zhǎng)GaN基LED結(jié)構(gòu)層，由P/N結(jié)發(fā)光區(qū)發(fā)出的光透過(guò)上面的P型區(qū)射出。由于P型GaN傳導(dǎo)性能不佳，為獲得良好的電流擴(kuò)展，需要通過(guò)蒸鍍技術(shù)在P區(qū)表面形成一層Ni-Au組成的金屬電極層。P區(qū)引線通過(guò)該層金屬薄膜引出。為獲得好的電流擴(kuò)展，Ni-Au金屬電極層就不能太薄。為此，器件的發(fā)光效率就會(huì)受到很大影響，通常要同時(shí)兼顧電流擴(kuò)展與出光效率二個(gè)因素。但無(wú)論在什么情況下，金屬薄膜的存在，總會(huì)使透光性能變差。此外，引線焊點(diǎn)的存在也使器件的出光效率受到影響。

采用GaN LED倒裝芯片的結(jié)構(gòu)可以從根本上消除上面的問(wèn)題，如圖14所示。由于芯片倒裝于Si基墊上，LED發(fā)出的光直接透過(guò)蘭寶石射出，不存在上述的Ni-Au金屬膜與引線電極，因此出射的光沒(méi)有損失，加上下面P-GaN層上蒸鍍有Ag反射膜，進(jìn)一步增強(qiáng)了出射光的強(qiáng)度。圖15指出了蘭綠光LED的量子效率隨峰值波長(zhǎng)的變化。實(shí)驗(yàn)指出，在450~530nm的峰值波長(zhǎng)區(qū)域，倒裝功率型LED器件的量子效率要比普通型器件高出1.6倍。

3、LED散熱機(jī)制的分析

正如上述，對(duì)于一個(gè)常規(guī)的LED器件，90％以上的輸入功率將轉(zhuǎn)換成熱。為使器件能維持一個(gè)合適的溫度，正常工作，這些熱量必須通過(guò)管殼基板等媒介散發(fā)到周?chē)h(huán)境中去。

通常將二個(gè)節(jié)點(diǎn)間單位熱功率輸運(yùn)所產(chǎn)生的溫度差定義為該二個(gè)節(jié)點(diǎn)間的熱阻，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

Rθ=ΔT/PD （9）

其中Rθ為節(jié)點(diǎn)1與2之間的熱阻，ΔT為節(jié)點(diǎn)1與2之間的溫差，PD為二點(diǎn)間的熱功率流。熱阻Rθ表示了二點(diǎn)間的熱散失能力，Rθ越大，散熱能力越差；反之Rθ越小，散熱能力越強(qiáng)。當(dāng)電功率V=VF?IF施加到LED上后，在器件的P-N結(jié)處將產(chǎn)生大量的熱，致使芯片溫度迅速升高，由于器件良好的散熱特性，大部分熱量將通過(guò)銀漿、管殼、散熱基板，PCB散發(fā)到周?chē)h(huán)境中去，從而抑制了器件芯片的升溫。

類(lèi)同于電學(xué)中的電阻特性，熱阻也存在著相同的運(yùn)算法則，當(dāng)n個(gè)LED安裝于同一塊基板上時(shí)，其熱流圖如圖17所示。

圖中Tj、Tc與TB分別代表了某個(gè)LED管的P-N結(jié)區(qū)，管殼與基板處的溫度、RθJ-C、RθC-B、RθB-A分別代表P-N結(jié)與管殼、管殼與基板、基板與環(huán)境之間的熱阻，那么，該LED列陣的總熱阻可表示為：

RθJ-A= RθJ-C + RθC-B +RθB-A （10）

其中，1/ΣRθJ-C=Σ（1/ RθJ-C），1/ΣRθC-B=Σ（1/ RθC-B），上式滿足的基本條件是陣列中所有LED具有完全相同的參數(shù)。

熱阻Rθ是LED的一個(gè)重要參量，當(dāng)我們知道了某一器件的熱阻的Rθ數(shù)值，那么根據(jù)式（9），即可求得LED的結(jié)溫：

Tj=TA+PDRθJ-A （11）

其中Tj為器件的P-N結(jié)溫，TA為環(huán)境溫度，PD=I?V為器件的耗散功率，RθJ-A為器件P-N結(jié)與環(huán)境之間的熱阻。

顯然，LED的熱阻將嚴(yán)重影響器件的使用條件與性能，圖18指出了不同熱阻值的器件的最大正向電流與環(huán)境溫度的關(guān)系，由圖可見(jiàn)，當(dāng)熱阻較小時(shí)，光通量幾乎與正向電流成正比例增加，當(dāng)熱阻較大時(shí)，由于P-N結(jié)溫的上升，當(dāng)正向電流加大到某值時(shí)，光通量將趨于飽和，并隨之逐漸下降。對(duì)于一個(gè)LED管，設(shè)法降低P-N結(jié)與采用環(huán)境之間的熱阻是提高器件散熱能力的根本途徑。由于環(huán)氧膠是低熱導(dǎo)材料，因此P-N結(jié)處產(chǎn)生的熱量很難通過(guò)透明環(huán)氧向上散失到環(huán)境中去，大部分熱量通過(guò)襯底、銀漿、管殼、環(huán)氧粘接層、PCB與熱沉向下發(fā)散。顯然，相關(guān)材料的導(dǎo)熱能力將直接影響器件的熱散失效率。表9與表10指出了若干常用襯底與熱沉材料的導(dǎo)熱系數(shù)值，銀漿與環(huán)氧的數(shù)據(jù)未在表中列出。他們的導(dǎo)熱系數(shù)值分別為2.7與0.2~0.8（w/mk）。實(shí)驗(yàn)指出，對(duì)于一個(gè)普通型（Φ5）的LED，從P-N結(jié)區(qū)環(huán)境溫度的總熱阻在300~600?C/w之間；對(duì)于一個(gè)具有良好結(jié)構(gòu)的功率型LED器件，其總熱阻約為15~30?C/w。巨大的熱阻差異表明普通型器件只能在很小的輸入功率條件下，才能正常地工作，而功率型器件的耗散功率可大到瓦級(jí)甚至更高。
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