減少「Droop 效應」和提高光萃取效率有助於實現更好、更亮的 LED。在過去 10 年中，LED 已經轉變了固態照明，LED 因其效率高和壽命長，推動了在一般照明中的應用。LED 的效率以驚人的速度持續改善，不僅減少了給定應用的 LED 數量，還降低了硬體系統的成本，進而提高了採用率並降低了成本。這種效率的提升使得高亮度晶片變小，能夠將密集堆疊的陣列產生出可定址矩陣，這非常適合於車頭燈動態光束轉向。 InGaN LED 的固有高速切換使其成為可見光通訊或 Li-Fi 的理想選擇。
▲ 圖1：（a）典型的冷白色、暖白色磷光體轉換高功率照明 LED在 J= 350 mA/mm2 及 Tj= 85°C 時，以及典型高功率車頭燈 LED 在 J= 1000 mA/mm2 及 Tj= 100 °C時的功效組成；（b）典型的大功率普通照明 LED；（c）典型的大功率汽車照明 LED。
LED 廣泛滲透到各個市場中，這得歸功於藍色 LED 插頭效率、白色轉換效率、精確定製和控制色點的能力大幅度上升。在本文中，來自加州聖荷西的 Lumileds 團隊討論了 LED 的技術細節，並比較了不同的結構，進而突出了未來改進的機會。在以下各節中，我們將介紹各種方面：白光 LED 效率典型損耗（範圍）；大功率 LED 多層堆疊的磊晶考慮—內部量子效率與衰減的衡量，極性與半極性與非極性 GaN 的關係；載體擴散和光萃取裝置—圖案化基板；晶片結構比較。
隨著 LED 亮度要求的提高，工作電流密度增加，由傳統的 35 A/cm2 延伸到 100 A/cm2 以上。這種變化對磊晶產生了深遠的影響，因為在 100 A/cm2 的密度時增加內部量子效率與在 10-20 A/cm2 時增加，重點明顯不同。
在較低的電流密度下，內部量子效率的提高來自材料質量的提高，這是因為間接複合在低電流下占主導地位。
與此形成鮮明對比的是，當 LED 驅動更加困難時，焦點必須針對 Droop 效應。今天，產業普遍支持歐傑複合是最先進工業設備效率下降的主要原因。由於量子井內的載流子密度增加，因此在高驅動電流下，歐傑損耗很顯著，這加強了三粒子重組過程的可能性。
減少歐傑重組的一個選擇是用更多的井引入活躍區域，因為這有可能降低其中每一個的載流子密度，但是成功幾率不高。電子的不對稱性和電洞的有效質量導致有源區 p 側的載流子密度高於 n 側的載流子密度，並且導致載流子複合的變化。所以增加量子井產生的效益可能會很小，甚至沒有。
一個更好的方法是使用能帶結構工程。這可以促進更好的載體分布，並確保每個量子井的載流子密度低。實現這一點，設備的工作點在效率曲線上更高（見圖 2）。
▲ 圖 2：具有不同載流子分布和材料質量的 LED 活性區域的一維元件模擬（a）及相應的內部量子效率（IQE）曲線（b）。
雖然設計用於低 Droop 的活動區域通常能夠實現量子井中載流子的均勻分布，但是它們以犧牲材料質量為代價，並且這增加了非輻射間接複合。通常，低 Droop 活性區設計中的銦含量增加會造成材料質量降低。顯然，最佳的 LED 必須將對抗效率下垂與高材料質量結合起來，確保低的間接重組（見圖 2）。
不想出現 Droop 效應的另一個選擇是通過電子和電洞波函數更大的疊加來增加輻射複合速率。今天的 LED 在 c 面上產生並受到內部電場的困擾，這些電場拉開了電子和電洞並損害了輻射複合。通過切換到半極性和非極性基板來減少或消除有源區域內的偏振感應電場，可以進行改進。優點不僅限於較高的輻射複合，而且在較高驅動電流下降低歐傑複合速率。
實現這一切的承諾並不容易。今天，半極性和非極性元件受到短時間的非輻射複合壽命限制，而且基底非常昂貴，沒有商業用途。此外，儘管在這些替代晶體取向方面取得了進展，但是由於載體擴展和材料質量的改進，它們正在追逐移動目標。
在現代大功率 LED 中優化光萃取的一條途徑包括減少泵浦光子跳躍的次數，即泵浦光子通常在其離開之前在晶片腔內的往返次數，並切割晶片腔內的泵浦吸收。
這兩個關鍵特性（泵浦光子反射次數和泵浦吸收）在兩種常見的架構中都有明顯的不同：倒裝晶片和薄膜（參見圖 3 的元件架構圖）。薄膜設計提供較小的源尺寸，並且它們在高度定向應用中是優選的，而倒裝晶片設計直接連接到板上，而不使用插入器。兩者的共同點是高電流密度和低熱阻，都能夠實現高密度陣列。
除了這 2 種設計之外，還有第 3 種，它是倒裝晶片的一個變體：它通過阻擋藍寶石基底的側面來重新定向光子穿過管芯的頂側（見圖 3（b））。這種設計的優點包括：較小的源尺寸和更嚴格的角度輻射模式；更有效的耦合效率；具有更大的設計靈活性。
▲ 圖 3：薄膜（TF）和倒裝晶片（FC）設計的比較：（a）薄膜（b）基於倒裝晶片的單面低發射器（c）基於倒裝晶片的五面發射器。
從光子跳躍的角度來看，2 種倒裝晶片的設計對藍寶石厚度有很強的依賴性，要優於薄膜結構（見圖 4）。使用倒裝晶片的結構，藍寶石需要夠厚以防止大量的光子跳躍—例如，對於 1 奈米 2 晶片至少為 100 mm。
▲ 圖 4：在相對藍寶石厚度為 0.2 的情況下，在相對藍寶石厚度（左圖）和光子發射的角度方向（右圖）影響下的模擬平均光子跳躍。
倒裝晶片結構有兩個特點可以讓跳躍次數顯著減少，從而有利於光萃取。第一個是由於藍寶石的高折射率，與薄膜相關的 GaN 逃逸表面的折射率對比度降低。第二種是一旦光進入藍寶石腔，它就可以通過側壁傳播出去，進而減少了向 GaN 區域的散射。對於典型的藍寶石厚度，側壁輻射可能占提取效率的 30% 至 40%（見圖 5）。
▲ 圖 5：在倒裝晶片設計中，與總輸出泵浦功率相對應的側發射和地平線以下的光，對於藍寶石厚度的依賴性。
一般來說，光子彈跳的數量取決於有源區域光子發射的角度方向，並且在靠近掠射角的角度是最多的。但角度與光子彈跳之間的關係並不簡單，因為谷曲線出現在 15° 和 40° 之間。在 LED 的所有 3 個設計中都可以看到這一特性，並且與圖案化的藍寶石表面界面的複雜傳輸特性有關。請注意，對於較高的光子發射角度，光子跳躍的平均數量突然升高，與 GaN-藍寶石或 GaN-矽氧烷界面的臨界角度一致。晶片的側面塗層對光子跳躍的數量有顯著的影響。
對於沒有側面塗層的倒裝晶片，與 GaN-矽樹脂相反，在 GaN 藍寶石臨界角附近的較高角度處，反射數快速增加。這與我們的理解是一致的，因為在藍寶石-矽膠頂面的任何內反射將有第二次機會從藍寶石側壁逃出。倒裝晶片的側面塗層帶來巨大的變化，導致反向散射到 GaN 中出現增加，隨之而來轉移到 GaN 矽膠臨界角附近的較低角度的反彈增加。
不同類型設計的提取效率可以用下圖來解釋（參見圖 6）。對於倒裝晶片來說，當藍寶石厚度達到 0.25 左右的相對厚度，提取效率可以快速提高，然後趨於平緩。側塗並不能提高萃取效率。當反射不良的塗層與高藍寶石厚度結合使用時，萃取效率可能會下降。
▲ 圖 6：倒裝晶片設計的模擬外部萃取效率提升示意圖。
為了獲得完全效率，五面發光的倒裝晶片更優，因為藍寶石腔可以減少背散射光與晶片有損區域間的相互作用。但是，薄膜設計的淨反射率增益可能對於相對較高的藍寶石厚度而言才顯著。通常，它必須遠遠高於 0.1，與反彈次數的依賴性相一致。
我們改進光萃取的方法主要是減少泵浦吸收。對於倒裝晶片，當循環泵浦輻射在晶片腔內傳播時，其衰減通常為每次往返 7%。平均來說，8 次光子跳躍就能提高 85% 左右的萃取效率。
這種吸收的最大原因是 GaN-Ag 界面。解決這個弱點的一種方法是切換到複合結構，通過在金屬和半導體之間插入夠厚的低折射率氧化物層。選擇 SiO 2 會防止在大約 40° 臨界錐角內的入射與金屬化相互作用。根據我們的模擬試驗，反射器損耗貢獻可以從 50% 下降到僅 20%。
優異的電流擴展也是由複合結構產生的，因為有可能確保注入有源區的電流絕大多數遠離 n-GaN 通孔（見圖 7）。這在高驅動條件下是特別有利的。
▲ 圖 7：在 700 mA 和 3000 mA 驅動器操作下，常規和複合鏡面方案的歸一化模擬和實驗近場的表面亮度圖像。
透過減少光子跳躍次數來增加光耦合的另一措施是優化與圖案化藍寶石基底相關的散射特徵。如果使用純藍寶石，在兩個方面會造成不利影響。首先，在最大入射輻射的角度範圍內，出射面的光透射率將會降低。其次，導模的取消將會減少，因為光線被鏡面反射而非繞射。
