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1、提高 LED 的出光效率方法研究摘要：本文介绍了提高 LED 的出光效率的几种方法及其研究进展方向，包括优化芯片发光层结构；提高光引出效率的芯片技术；光子晶体技术；电极和电流扩展技术；光学薄膜技术；改进光学封装技术，采用二次光学设计技术等。关键词：发光效率 芯片技术 光子晶体 光学薄膜 光学设计LED 是一种半导体 PN 结二极管，当有一个正向电压施加于 PN 结两端时，载流子从低能态被激发到高能态并处于不稳定状态而返回到低能态复合时，根据能量守恒定理，多余的能量将以光子形式释放。LED 这种电致发光原理使其成为一种固体冷光源，而不是像白炽灯等通过使物体升温而发光的。LED 光源是第四代光源，
2、它的出现和发展将引发照明领域中的一次革命，具有划时代的意义。随着 MOCVD 外延生长技术和多量子阱结构的发展，人们在精确控制外延生长、掺杂浓度和减少位错等方面都取得了突破，外延片的内量子效率已有很大提高。像 AlInGaP 基LED，内量子效率已接近极限，可达 100%。由于 LED 的外量子效率取决于外延材料的内量子效率和芯片的出光效率，提高 LED 发光效率的关键是提高芯片的外量子效率，这在很大程度上取决于芯片的出光效率。同时，LED 的封装结构等也对出光效率有很大的影响。提高 LED 出光效率的技术途径大概有几种：1. 优化芯片发光层结构；2. 提高光引出效率的芯片技术；3. 光子晶体
3、技术；4. 电极和电流扩展技术；5. 光学薄膜技术；6. 改进光学封装技术，采用二次光学设计技术等。一、 优化芯片发光层结构通过设计不同的发光层结构，可以提高 LED 的光效。主要采用两种发光层结构：双异质结和量子阱结构。双异质结的 P 区和 N 区有带隙不同的半导体组分，两个势垒层对注入的载流子起限域作用，即通过第一个异质结界面扩散进入活性层的载流子，会被第二个异质结界面阻挡在活性层中，只是双异质结的活性层厚度远小于同质结，从而有效地提高注入载流子浓度和复合效率。量子阱结构取决于活性层的厚度，不同的厚度活性层对载流子的限域和效率提高有不同作用。采用量子阱结构的活性层可以更薄。二、 提高光引出
4、效率的芯片技术传统 LED 用透明环氧树脂酱 LED 芯片和导线架包封后的只能控制叫狭窄范围内的光线，因而会造成较大的光损失，使光的利用率收到限制。芯片和环氧树脂，不透明衬底材料对光的吸收也会造成 LED 的光效降低。主要采用以下几种技术和方法提高LED 的光引出效率：1、 在芯片与电极之间加入后窗口层，可以有效地扩大光引出角锥提高出光效率；2、 双反射 DR 和分布式布拉格反射 DBR 结构提高 LED 发光效率的方法根本上上可分为两种，分别是增加芯片(chip)本身的发光量；另一种方法是有效利用芯片产生的光线，增加光线照射至预期方向的照射量。前者是设法提高芯片活性层的发光效率，以及改善芯片
5、形状增加外部取光效率，或是将芯片大型化利用高密度电流增加发光量；后者是利用光波控制技术，亦即利用封装树脂形成特殊的光学结构，使芯片产生的光线照射至预期的方向。DB LED 采用在环氧树脂与空气接口处形成全反射面，利用一个反射镜使全反射面全反射的光线先前反射，是光线朝预订方向射出，从而大大减小光损失。如下所示：DBR LED 由交替的多层高折射率和低折射率的材料组成，每层的光学厚度为发射波长的 1/4.周期越多，折射率差越大，DBR 的反射率就越高，从而减少衬底吸收量，适用于难以实现透明衬底的材料，如以 GaAs 做衬底的 AlGaAs 和 AlInGaP器件。DBR 结构直接利用 MOCVD
6、设备进行生长，无须再次进行加工处理。其结构如下图所示：3、 倒装芯片技术早起 LED 芯片为正装形式，由于蓝宝石衬底是绝缘的，所以 P 型区电极和 N型区电极只能被置于外延材料表面的同一侧，导致一部分光被欧姆接触电极和键合引线所吸收和遮挡，影响期间的发光效率。倒装结构可以减小光在 LED 内部反射而造成的有源层及自由载流子对光的吸收。光在内部的反射次数越多，路径越长，造成的损失越大。通过改变 LED 的几何形状，可以缩短光在 LED 内部反射的路程。这种技术于 1999 年被提出，通过在透明衬底 LED 基础上的再次加工，将bonding 后的 LED 晶片导致，切去四个方向的下角， ，如下图
7、所示，斜面与垂直方向的夹角为 35。这种几何外形可以使内部反射的光从侧壁的内表面再次传播到上表面，而以小鱼临界角的角度初涉，同时使上表面大于临界角的光重新从侧面射出。这两种过程能同 时减小光在内部的光程。4、 表面粗糙化纹理结构表面粗糙化通过散射光的方向来减少反射，但同时不损伤材料的电学和光学特性。表面粗糙化主要作用是增加透射率，将满足全反射定律的光改变方向，继而在另一表面被反射回来原表面时不被全反射而透过界面，起防反射功能。光子的反射路径被封闭在纹理结构之中，使有源层发出的光子能够有效的被取出。纹理表面不影响光束角特性，且适用于比例放大的功率型大尺寸 LED 芯片。表面粗化与表面粗糙度，晶粒
8、尺寸及晶粒密度有必然的联系。在考虑出光率的同时，必须尽量减小对电学性能降低的风险。表面粗化使光随机出射，部分物理学定律失去适用性，因而需要大量的实验统计分析粗化对出光的影响。除了表面粗化，芯片侧面也可以粗糙化以提高出光效率。侧面粗化后芯片的外量子效率可以超过 30%。侧面粗化主要是因为针对 GaN 基等 LED 器件，通过自然光刻和 ICP 刻蚀方法，刻蚀深度不容易控制，刻蚀后对器件造成很大的损伤，实现商业化应用很困难。研究表明，侧面粗化为三角状，55 时的出光效率最高，而随机粗化可以获得比固定角度粗化更高的出光率。同时，降低材料的吸收系数可以很大提高 LED 的出光效率，在吸收系数为 10/
9、cm 时，经过粗化后的 LED 出光效率可以达到 46.1%。5、 剥离与透明衬底技术采用剥离与透明衬底技术可以有效滴开拓芯片向下引出角锥，可以使发光效率得到很大的提高。透明衬底是通过减少衬底吸收作用的方法。它可以在 LED 晶片生长结束后，移去吸收光的 n-GaAs 衬底，利用二次外延生长出透明的，宽近代的导电层。也可以在 n-GaAs 衬底上生长猴 50um 的透明层，然后移去 GaAs 衬底。这两中技术难题在于价格昂贵，难于生长，且与有源层之间匹配不加。另一种技术为粘合 bonding 技术，将两个不同性质的晶片结合到一起，并不改变原来警惕的性质。但这种方法普遍缺点是由于粘合剂的存在，试
10、结合力太弱，界面不透明或界面导电性差。直接 bonding 技术不需要粘合剂，从而取得较大的发展研究，部分发光效率达到 50.1lm/W。6、 异性芯片技术：改变 LED 芯片的形状，可以提升出光效率；7、 微芯片阵列：芯片表面积与周边面积之比为 1:14，周边面积的增加可以提供更大的出光面积，从而提升发光效率。三、 光子晶体技术目前主要用二维光子晶体来提高 LED 的出光效率，其影响出光效率的主要因素有光子晶体的结构，晶格常数和高度等。利用光子晶体提高 LED 出光效率的作用方式主要有利用光子禁带效应原理和利用光栅衍射效应原理。优化光子晶体参数的同时，与其他提高出光效率的技术相结合，是下一阶
11、段的研究趋势。随着光子晶体加工技术的成熟和设备费用的降低，光子晶体会在将来高亮度和高发光取向型 GaN 基 GaN 产品中得到普遍应用。四、 电极及电流扩展技术电极是 LED 的重要结构，其设计必须满足三个方面的条件：意思要求尽可能低的接触电阻，二是要求电流能分散到芯片截面积上尽可能大的区域，三是要求电极对光的遮挡最小。LED 电极结构设计适当，可以减小反射率的变化，提高出光效率。同时，通过在 LED 晶片表面制作网目状电极，可以增大发光区面积，提高光引出效率。五、 光学薄膜技术光学薄膜普遍应用于 LED，无论是透明电流扩散薄膜还是反射薄膜都能够显著提高 LED 的出光效率。增透薄膜应用于透明
12、电流扩散薄膜，能减少光从有源区到电极之间的损失，增加光透过率；增反薄膜应用于芯片底部，能偶将原来出射到芯片底部而无法利用的光线尽可能反射，从而使这些光线向上射出成为有效出光。其于纳米材料等技术结合制备出更高性能的薄膜，将是未来 LED 光学薄膜的发展趋势。六、 改进光学封装技术，采用二次光学设计技术传统 LED 封装方式由于半导体与封闭环氧树脂的折射率相差较大，内部的全反射临界角很小，大部分光在内部经过多次后约有 50%被吸收和消耗。提高出光效率，必须改进光学封装技术，最大限度地减少内部不同材料见折射和反射消耗的光能。现在功率型 LED 大多采用倒装焊结构，并在芯片发光层与电极下方设置一个反射
13、层，而且芯片测名的光利用热衬的镜面反射出去，从而有效地提高 LED 的出光率。同时，采用二次光学设计技术，如外加反射杯和多重光学投射等，可以进一步提高出光效率。结语：随着 LED 的发展和普遍应用，提高其出光效率的方法必将获得迅猛发展。在发光二极管的研制和生产过程中，几乎没十年就有一个性能上的大飞跃，这需要一代代人不断的努力，退出新的方法，同时对已用方法的总结和进一步研究。相信 LED 一定会为为人类的光明未来做出更大的贡献。参考文献：1 新一代绿色光源 LED 及其应用技术 毛兴武 张艳雯等 人民邮电出版社2 光子晶体提高 GaN 基 LED 出光效率的研究进展 李天保 梁建 许并社 20103 光子晶体几何结构设计对 LED 出光效率影响的研究 殷子豪 王庆康 20094 侧面粗化提高 GaN 基 LED 出光效率研究邓彪 刘宝林 20115 表面粗化对 GaN 基垂直结构 LED 出光效率的影响 樊晶美等 20096 光学薄膜对 LED 出光效率影响的研究进展 王乐等 20117 提高发光二极管 LED 外量子效率的途径 齐云等 20038 提高发光二极管出光效率的新方法 徐丽华等 2009
