1 前言
发光二极管（LED）可以将电能转换成可见光，因此发光二极管被归类成半导体固态组件。
发光二极管充分发挥不需使用彩色滤光膜片，可以直接发出特定颜色的光线与低电压驱动的优点，目前已被广泛被当作各种电子机器的显示用光源，应用在各式各样的领域。
最近几年发光二极管的发光效率提升，加上蓝光与绿光发光二极管的实用化（如图1所示），发光二极管已经成为交通号志灯、汽车尾部组合灯（Rear combination lamp）、液晶显示器用背光照明模块等各种显示与照明的主要光源，持续拓展应用范围。
本文将介绍可以减低发光二极管基板的光损失，设有金属反射膜层、高辉度、发光效率是传统结构发光二极管的4倍、48lm/W的AlGaInP 4元红光发光二极管的发光效率提升方法，以及金属反射膜发光二极管（MR-LED）的电气光学等各种特性。
传统红光发光二极管用半导体晶圆，除了AlGaAs外延硅晶圆（Epitaxial wafer）之外，AlGaInP外延硅晶圆已经商品化。
若在AlGaInP外延硅晶圆表面，制作电极再切割成晶粒状（Die），就可以制成发光二极管芯片。不过传统结构发光二极管受到底部基板的影响，光吸收损失非常大，一般认为12 lm/W的发光效率是红光发光二极管的最大极限。
有鉴于此，研究人员在发光二极管组件内部设置金属反射膜（Metal Reflector），开发全新结构的红光发光二极管，达到发光效率48lm/W，比传统结构提高4倍的高效率宿愿。
2 金属反射膜LED的发光效率提升方法
传统发光二极管光源如图2(a)所示，利用注入半导体固态组件发光材料（发光层）的电子与空穴再结合获得的能量产生光线，该光线转换效率，以低缺陷AlGaInP结晶而言，大约可以达成70%以上，材料上的特性提升可算是相当充分。
如图2(a)所示，芯片产生的光线会在半导体内部传递，透过发光二极管组件表面发至组件外部领域，该发光效率单纯的红光发光二极管结构，大约只有10%左右，为有效提高红光发光二极管的发光效率，必需透过发光二极管的结构设计与工艺改善，提升表面穿透率与接口反射率。
红光发光二极管是在GaAs单晶基板上，使用晶格整合3元混晶AlGaAs或是AlGaInP 4元混晶发光层，将GaAs单晶基板当作发光组件，由底部支撑基板使用的发光二极管。由于GaAs具备吸收红光特性，因此又称作受质基板型（Absorbing Substrate Type，简写AS Type）。
如图3(a)所示，当初开发受质基板（AS Type）时，在GaAs基板上方制作发光层。由于该结构的组件表面，反射的光线与朝基板侧的光线全部被基板吸收，因此只能达成8lm/W低光线转换效率。
虽然受质基板的开发，主要目的是提升发光效率，如图3(b)所示，受质基板型基本上属于半导体多层反射膜（DBR: Distributed Bragg Reflector）插入型，该结构利用半导体多层反射膜，使朝基板侧的光线反射，达到12 lm/W的光线转换效率。
然而半导体多层反射膜（DBR）具有斜方向光线不易反射的结构性缺陷，因此朝各方向辐射的发光二极管光线，不会朝基板侧传递，结构上受到很大的限制。
为提高红光发光二极管的发光效率，研究人员深入探讨可以使斜向入射至基板的光线完全反射的结构，开发了图3(c)所示结构，使用金属薄膜的反射结构除了垂直方向之外，对斜向入射的光线，同样具备高反射特性的发光二极管（MR-LED）。
金属反射膜发光二极管（MR-LED），不易同时具备发光层、金属反射膜反射率与低电气阻抗特性，而且无法在金属反射膜上制作低缺陷的发光层，因此研究人员针对同时具备反射率与低电气阻抗问题，透过组件结构的设计进行研究，发光层的缺陷问题则透过基板贴换技术，使用与GaAs单结晶基板上结晶同等级的低缺陷AlGaInP发光层。
基板贴换技术如图4所示。①首先准备低缺陷AlGaInP外延硅晶圆，②将发光层黏贴至底部支撑基板，③最后从已经贴合的晶圆去除GaAs基板，就可以在底部支撑基板上面形成具备发光层的结构。
(1)初期特性
有关金属反射膜型发光二极管（MR Type LED）与受质基板型发光二极管（AS Type LED），两芯片的外形都是300×300μm角柱形。
图5是这两种发光二极管实际发光的照片。由照片可知，金属反射膜型发光二极管的发光比受质基板型发光二极管亮。
如表1的金属反射膜型发光二极管（MR Type LED）与受质基板型发光二极管（AS Type LED）初期特性比较所示，正向电流20mA通电时的光束为1.92lm，可以实现48 lm/W的发光效率，金属反射膜型发光二极管（MR Type）比受质基板型发光二极管（AS Type）发光效率提高4倍以上。
图6是上述两种红光LED的正向电流－光束特性。由图可知，光线强度亦即光束对电流呈直线增加，即使受到发热的影响，光输出并未降低。
图7是上述两种红光LED的正向电流－正向电压特性。由图可知，虽然金属反射膜型发光二极管（MR Type）的正向电压比受质基板型发光二极管（AS Type）高，不过却可以达到实用要求的2.2V以下正向电压（IF=20mA），证实即使是金属反射膜结构，串联阻抗同样可以被充分削减。
(2)晶圆面内的分布
发光二极管当作显示用途并排使用的场合，如果光强度分布不均，会引发辉度不均。
此外定电压驱动时要求相同的正向电压。因此，研究人员测试3英吋金属反射膜型发光二极管（MR Type）晶圆的光束与正向电压的面内分布特性。
光束的面内分布特性如图8所示。面内平均为1.86lm（σ=0.05lm），面内分布在±10%范围内，证实新型红光发光二极管，可以实现高输出、高均匀性的要求。
正向电压的分布如图9所示。面内平均为1.98 lm（σ=0.02V），面内分布在±5%范围内，证实新型红光发光二极管，同样可以实现低电压、高均匀性的要求。
根据上述面内分布特性，与受质基板型发光二极管 （AS Type）的晶圆分布几乎完全相同，证实分布特性不会受到金属反射膜结构的工艺影响大幅改变。
(3)连续通电特性
金属反射膜型发光二极管（MR Type）与受质基板型发光二极管（AS Type）比较，制作基板贴换等金属反射膜结构时，容易受到热与压力造成的负载，对组件的可靠性可能产生不良影响，必需进行可靠性试验才能够确认。
图10是在IF=50mA时，进行一周室温连续通电特性变化试验的光束、正向电压、反向电压测试结果。
根据测试结果可知，上述2种新型红光发光二极管特性完全没有改变，证实即使制作金属反射膜型结构，同样可以获得充分的可靠性。
3 结语
以上介绍使用金属反射膜（MR）结构，新型高发光效率AlGaInP 4元红光发光二极管。
为提高发光效率，研究人员开发金属反射膜型发光二极管（MR-LED）的结构设计与制作技术，达到48 lm/W的超高发光效率。
超高发光效率的发光二极管，可以应用在户外混色很鲜明的辨识用途，例如户外大型显示器要求鲜艳显示、或是汽车尾组合灯等等。
此外发光效率不足，迟迟无法实用化的大型液晶显示器用LED背光照明模块，也是新型红光发光二极管，可以充分发挥特性的领域。

（来源：电子设计资源网）