LED芯片精拋時(shí)間長短與亮度的關(guān)系

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(yīng)用前景。隨著LED各類產(chǎn)品的普及和應(yīng)用，市場對LED產(chǎn)品的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都提出了更高的要求，特別是對LED產(chǎn)品亮度的要求。從LED精拋時(shí)間長短與亮度的關(guān)系入手，闡述如何提高LED芯片的亮度。

關(guān)鍵詞：LED芯片；拋光時(shí)間；半導(dǎo)體晶片；P-N結(jié)

中圖分類號：TM312+.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.05.104

在當(dāng)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(chǔ)的“低碳經(jīng)濟(jì)”成為全球熱點(diǎn)。低碳經(jīng)濟(jì)的實(shí)質(zhì)之一是通過發(fā)展新技術(shù)提高能源利用效率。歐美發(fā)達(dá)國家大力推進(jìn)以高能效、低排放為核心的“低碳革命”，著力發(fā)展“低碳技術(shù)”，并對產(chǎn)業(yè)、能源、技術(shù)、貿(mào)易等政策進(jìn)行重大調(diào)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(diǎn)。這使得LED在照明市場的前景備受矚目。

目前，LED已經(jīng)被應(yīng)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(lǐng)域。一些城市的光伏照明樣板工程也已采用LED燈，但實(shí)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(chǎn)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(shù)概述

1.1 LED概念

LED，即發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接將電轉(zhuǎn)化為光。LED的“心臟”是一個(gè)半導(dǎo)體晶片，附著在LED燈株支架上，它的一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是“P”形半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位；另一部分是“N”形半導(dǎo)體，其內(nèi)部主要是電子。當(dāng)這兩種半導(dǎo)體連接起來時(shí)，它們之間就形成一個(gè)“P-N”結(jié)。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于半導(dǎo)體晶片時(shí)，電子就會被推向P區(qū)。在P區(qū)內(nèi)，電子跟空穴復(fù)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(jié)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(dǎo)體制成的，其核心是P-N結(jié)。因此，它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正向?qū)?，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(jìn)入對方區(qū)域的少數(shù)載流子一部分與多數(shù)載流子復(fù)合而發(fā)光。假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)發(fā)生的，那么注入的電子與價(jià)帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這種復(fù)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(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復(fù)合量與非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，因此光僅在靠近P-N結(jié)面數(shù)微米以內(nèi)產(chǎn)生。理論和實(shí)踐證明，光的峰值波長λ與發(fā)光區(qū)域半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg有關(guān)，即

λ≈1 240/Eg（nm）. （1）

式（1）中：Eg的單位為電子伏特（eV）。

如果能產(chǎn)生可見光，半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)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(dǎo)體材料的生產(chǎn)工藝，可獲得高質(zhì)量的P-N結(jié)，達(dá)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(dá)到提高芯片亮度的目的。③在芯片背面增加一層光學(xué)薄膜層，可增強(qiáng)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(qiáng)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(xué)拋光是降低芯片背面粗糙度方法之一。所謂“化學(xué)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(jìn)行精細(xì)打磨，以降低芯片背面的粗糙度。圖1所示為化學(xué)拋光工藝。

為驗(yàn)證芯片精拋時(shí)間長短與亮度的關(guān)系，筆者特進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：①選取同一外延機(jī)臺同爐、同圈、同尺寸芯片共40片。要求該批芯片點(diǎn)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(gè)盤進(jìn)行研磨拋光作業(yè)。每盤的精拋時(shí)間依次增加10 min。③研磨拋光作業(yè)時(shí)，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(nèi)厚度平均值與其他盤平均厚度差值應(yīng)小于3 μm，且同一盤內(nèi)片子的厚度偏差應(yīng)小于4 μm。精拋前，要記錄各盤的研磨厚度。另外，精拋?zhàn)鳂I(yè)必須在相同精拋機(jī)、相同手臂下進(jìn)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(jī)下進(jìn)行。⑤切裂后，要求用同一點(diǎn)測機(jī)點(diǎn)測。⑥整理數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)點(diǎn)分點(diǎn)測結(jié)果，并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄結(jié)果如表1所示。

根據(jù)圖2可知，隨著精拋時(shí)間的延長，薄片的翹曲度逐漸增大。

在實(shí)驗(yàn)過程中，由于實(shí)驗(yàn)片量較少，出現(xiàn)了誤差，精拋30 min

的K值小于20 min。但從精拋時(shí)間與K值變化的對應(yīng)關(guān)系圖可知，隨著精拋時(shí)間的延長，點(diǎn)分的亮度K值總體呈上升趨勢。圖3所示為精拋時(shí)間與K值變化的對應(yīng)關(guān)系。

綜上可知，隨著精拋時(shí)間的延長，芯片背面的粗糙度逐漸降低。

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)得出，延長精拋時(shí)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(xiàn)

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

〔編輯：劉曉芳〕