LED芯片精抛时间长短与亮度的关系

邹贤军

摘 要：LED是一种新型绿色节能光源，具有广阔的市场和潜在的照明应用前景。随着LED各类产品的普及和应用，市场对LED产品的各项技术指标都提出了更高的要求，特别是对LED产品亮度的要求。从LED精抛时间长短与亮度的关系入手，阐述如何提高LED芯片的亮度。

关键词：LED芯片；抛光时间；半导体晶片；P-N结

中图分类号：TM312+.8 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.05.104

在当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，以低能耗、低污染和低排放为基础的“低碳经济”成为全球热点。低碳经济的实质之一是通过发展新技术提高能源利用效率。欧美发达国家大力推进以高能效、低排放为核心的“低碳革命”，着力发展“低碳技术”，并对产业、能源、技术、贸易等政策进行重大调整。LED是一种新型固态照明光源，与传统光源相比，具有低电压、低能耗、长寿命、高可靠性以及耐震动和抗冲击等特点。这使得LED在照明市场的前景备受瞩目。

目前，LED已经被应用于台灯、手电筒、广告屏幕、电视屏、指示灯和汽车车灯等局部照明领域。一些城市的光伏照明样板工程也已采用LED灯，但实际照明效果并不太理想，主要原因在于LED灯的亮度不够、发光效率不高。为继续提升LED产品的普及度，则必须在“如何提高LED芯片亮度”上下功夫。

1 LED技术概述

1.1 LED概念

LED，即发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接将电转化为光。LED的“心脏”是一个半导体晶片，附着在LED灯株支架上，它的一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是“P”形半导体，在它里面空穴占主导地位；另一部分是“N”形半导体，其内部主要是电子。当这两种半导体连接起来时，它们之间就形成一个“P-N”结。当电流通过导线作用于半导体晶片时，电子就会被推向P区。在P区内，电子跟空穴复合，以光子的形式发出能量。光的颜色由光的波长决定，而光的波长是由形成P-N结的材料决定的。

1.2 LED的发光原理

发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，比如GaAs、GaP、GaAsP等半导体制成的，其核心是P-N结。因此，它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子一部分与多数载流子复合而发光。假设发光是在P区发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种复合发光方式外，还有些电子被非发光中心捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量与非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，因此光仅在靠近P-N结面数微米以内产生。理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域半导体材料的禁带宽度Eg有关，即

λ≈1 240/Eg（nm）. （1）

式（1）中：Eg的单位为电子伏特（eV）。

如果能产生可见光，半导体材料的Eg应在1.63～3.26 eV之间。比红光波长长的光为红外光。

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几种：①通过控制半导体材料的生产工艺，可获得高质量的P-N结，达到获得较高的发光效率的目的，以此提高芯片亮度。②提高荧光粉的发光效率。通过研发新工艺和新材料，可获得稳定性好、发光效率高的荧光粉，达到提高芯片亮度的目的。③在芯片背面增加一层光学薄膜层，可增强芯片背面的光源反射，提高芯片正面出光效率，从而提高芯片亮度。④降低芯片背面的粗糙度，也可增强芯片背面的光源反射，提高芯片正面出光效率，从而提高芯片亮度。

化学抛光是降低芯片背面粗糙度方法之一。所谓“化学抛光”，是指利用统一粒径的SIO2抛光液在一定的工艺条件下对芯片背面进行精细打磨，以降低芯片背面的粗糙度。图1所示为化学抛光工艺。

为验证芯片精抛时间长短与亮度的关系，笔者特进行了如下实验。

实验步骤如下：①选取同一外延机台同炉、同圈、同尺寸芯片共40片。要求该批芯片点测亮度接近，相差不超过5 mW，且品级全为A品。②将这40片芯片按序号10片一盘打散分到4个盘进行研磨抛光作业。每盘的精抛时间依次增加10 min。③研磨抛光作业时，要控制研磨和抛光厚度，要求每盘至少抛光25 μm。所有片子抛光后，盘内厚度平均值与其他盘平均厚度差值应小于3 μm，且同一盘内片子的厚度偏差应小于4 μm。精抛前，要记录各盘的研磨厚度。另外，精抛作业必须在相同精抛机、相同手臂下进行，并在清洗后测量每片的翘曲度。④背镀作业要求同一盘片子在同一RUN、同一圈背镀，切割作业要求在同一台切割机下进行。⑤切裂后，要求用同一点测机点测。⑥整理数据，统计点分点测结果，并撰写实验报告。

实验数据记录结果如表1所示。

根据图2可知，随着精抛时间的延长，薄片的翘曲度逐渐增大。

在实验过程中，由于实验片量较少，出现了误差，精抛30 min

的K值小于20 min。但从精抛时间与K值变化的对应关系图可知，随着精抛时间的延长，点分的亮度K值总体呈上升趋势。图3所示为精抛时间与K值变化的对应关系。

综上可知，随着精抛时间的延长，芯片背面的粗糙度逐渐降低。

3 结论

通过实验得出，延长精抛时间、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。

参考文献

[1]陈振官.光电子电路及制作实例[M].北京：国防工业出版社，2006.

[2]肖宏志.半导体照明的基础——白光LED[J].中国照明电器，2009（3）.

〔编辑：刘晓芳〕