摘 要：对于高效照明用ＬＥＤ，发光效率是其最重要的参数。目前，LED的内量子效率可达到９９％以上，主要瓶颈是外量子效率。为了解决这个制约发展的问题，许多新颖的解决方案被提出，尽管大多数还仅存于试验阶段或理论验证阶段，但都为最终的产业化奠定了坚实的基础。文章着重介绍目前提高LED外量子效率的主要途径，如倒装焊（Ｆｌｉｐ Ｃｈｉｐ）、光子晶体（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ）、激光剥离（Ｌｉｆｔ－ｏｆｆ）、芯片微结构、分布布喇格反射层（ＤＢＲ）、改变ＬＥＤ几何外形和表面粗化等技术。 关键字：LED光输出；倒装焊；光子晶体；激光剥离；芯片微结构；分布布喇格反射层；透明衬底；表面粗化； 作为一种新型的发光体，LED自诞生以来就倍受关注。特别是进入２１世纪后，世界面临严重的能源、环境危机，在发达国家，照明用电占总用电量的２０％；我国的照明用电约占总用电量的１２％，至２０１０年，我国照明用电将高达３０００亿度，相当于三峡水电站完工后的年发电量的３倍以上。而目前我国的发电主要还是依靠火力，对于环境的污染非常严重，这就需要改进现有的照明设备，提高其效率。而半导体照明作为新兴的发光体，具有电光效率高、体积小、寿命长、电压低、节能和环保等优点，是下一代照明的xxxx。下表列出了各种照明器件的效率，可以看出，LED与传统的白炽灯、日光灯相比，在电光效率、寿命上占有{jd1}的优势，一旦在成本、光效上取得突破，将很快占领照明市场。因此国内外都非常关注这一领域的发展，相关新产品、新技术层出不穷。 LED的光电转换效率包括两部分：内量子效率和外量子效率。内量子效率是指电子空穴对在LED结区复合产生光子的效率；外量子效率指将ＬＥＤ结区产生的光子引出了ＬＥＤ后的总效率。设LED的外量子效率为ｈｅｘ，可用下式表示： ｈｅｘ＝ｈｉｎ·Ｃｅｘ 其中：ｈｉｎ是内量子效率；Ｃｅｘ是逃逸率。LED内量子效率与外量子效率之间存在巨大的差距。一般来说，高质量LED的内量子效率可以达到９９％以上，而它的外量子效率却非常有限，这是因为Ｃｅｘ非常低的缘故，而这主要是由LED结区的特点所决定的。LED的ＧａＡｓ衬底对光的吸收非常严重，另外它的折射率也很高，导致封装时的光全反射角很小，影响了出光效率。不能出射的光在LED结区转换为热能，提高了结温，使晶格震动加剧，影响了内部量子效率，也使LED的寿命大打折扣，所以将产生的光有效地引出LED是当前ＬＥＤ界研究的主要方向。下面将对正在研究和已经实现的提高LED光引出效率的各种方法略作介绍。 １、提高LED光出射效率的技术 以目前的技术可以使ＩｎＧａＮ有源层在常温普通注入电流条件下的内量子效率达到９０％～９５％。当温度升高，内量子效率会很快下降，因此要提高发光效率就必须控制结温和提高出光效率。 #Next# 1.1.1 衬底激光剥离技术（Lift-off） 因为LED的ＧａＡｓ基衬底的折射率非常大，所以它所造成的内部光吸收损失很大。这种方法是将ＬＥＤ的ＧａＡｓ衬底剥离，换成透明衬底，然后粘结在透明的ＧａＰ衬底上，使光从下底面出射，所以又被称为透明衬底LED（ＴＳ－LED）法，透明衬底的制作如图１所示。理论上讲，这种方法可以使光的出射率提高１倍。 对于以蓝宝石衬底为主的ＧａＡｓ系LED而言，其剥离技术（ＬＬＯ）是基于ＧａＮ的同质外延发展的一项技术。ＧａＮ基半导体材料和器件发展的一个重大问题是由于没有合适的衬底而造成的外延层质量问题，解决这个问题的一种可能途径是利用对衬底透明的短脉冲激光照射衬底，融化缓冲层，从而将ＧａＮ外延层从宝石衬底上剥离下来，再用ＨＶＰＥ生长技术制成ＧａＮ衬底，用以实现同质外延。美国的惠普公司在上世纪末{zx0}在ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ LED上实现；２００２年，日亚正式把它用于ＵＶLED的工艺上，使其发光效率得到很大的提高；２００３年２月，德国ＯＳＲＡＭ公司用ＬＬＯ工艺将蓝宝石去除，将ＬＥＤ的出光效率提升至７５％。1.1.2 利用光子晶体技术（Photonic Crystal）光子晶体实际上就是一种将不同介电常数的介质在空间中按一定周期排列而形成的人造晶体，该排列周期为光波长量级。光子晶体中介质折射率的周期变化对光子的影响与半导体材料中周期性势场对电子的影响相类似。在半导体材料中，由于周期势场的作用，电子会形成能带结构，带与带之间有带隙（如价带与导带），电子的能量如果落在带隙中，就无法继续传播。在光子晶体中，由于介电常数在空间的周期性变化，也存在类似于半导体晶体那样的周期性势场。当介电常数的变化幅度较大且变化周期与光的波长可相比拟时，介质的布拉格散射也会产生带隙，即光子带隙。频率落在禁带中的光是被严禁传播的。光子晶体也叫电磁晶体（ｅｌｅｃｔ ｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｃｒｙｓｔａｌｓ）或光子带隙（ＰＢＧ—ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄ ｇａｐ ）材料。如果光子晶体只在一个方向上具有周期结构，光子禁带只可能出现在这个方向上。如果存在三维的周期结构就有可能出现全方位的光子禁带，落在禁带中的光在任何方向都被禁止传播。据此光子晶体可分为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体。 在发光二极管的发光中心放一块光子晶体，使发光中心的自发辐射和光子带隙的频率重合，并在光子晶体中引入一缺陷态，自发辐射将不能沿其他方向传播，只能沿特定的通道传播，这将大大减少能量损失，且能通过控制缺陷态而成为单模发光二极管。如果人为地破坏光子晶体的周期性结构，在光子晶体中加入杂质，光子禁带中会出现品质因子非常高的杂质态，具有很大的态密度，这样便可以实现自发辐射的增强。利用光子晶体可以控制原子的自发辐射的特性，可以制作宽频带、低损耗的光反射镜和高效率的发光二极管。实验已证明，发光效率可达９０％以上。 ２００３年，松下电器产业根据光子晶体原理成功开发了效率为３０％的ＧａＮ蓝色发光二极管芯片，并声称通过改进芯片，预计将能够照射出６０％左右的光（如图２所示）。该产品通过在蓝色ＬＥＤ芯片表面大量设置基于Ｐ型ＧａＮ的直径为１．５μｍ、高约０．５μｍ的圆柱状凸部（折射率２．５），形成凸部和凹部的空气层（折射率１）沿水平方向排列的光子晶体。照射到光子晶体中的光线因其周期性折射率分布而使光线发生衍射，使原先全反射的光违反折射定律而出射。然而，该法由于凸部是利用光刻技术和蚀刻技术形成的，所以成本十分昂贵，离最终的产业化距离尚远。 #Next# 为了抑制ＧａＡｓ与空气折射率相差过大而造成的全反射光较多的问题，可以采用把ｐ－ＧａＮ表面粗化的方法。将介面按一定的规律打毛，可以使部分全反射光线以散射光的形式出射，从而提高了出光率。如下图３所示，在ＬＥＤ的上表面直接将其打毛，但该法对有源层及透明电极会造成一定的损伤，制作也较为困难，故而很多时候都采用直接刻蚀成型。美国加州大学的Ｉ．Ｓｃｈｎｉｔｚｅｒ和Ｅ．Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ提出用自然光刻法，就是先用旋转镀膜的方法将直径为３００ｎｍ的聚苯乙烯球镀在ＬＥＤ的表面，用这些小球遮挡一部分表面，然后用等离子腐蚀的方法将未被遮蔽的表面腐蚀到深度为１７０ｎｍ左右，形成粗糙的ＬＥＤ表面。德国物理技术研究所的Ｒ．Ｗｉｎｄｉｓｃｈ等人用４３０ｎｍ的聚苯乙烯球进行了进一步的实验，效果也很好。 原本大于全反射角的光线在表面平整时将不会出射，或是在芯片内部遇杂质散射后才出射，但此时由于光程过长必定产生剧烈的衰减。粗化后的表面使得入射光能以散射光的形式出射，从而使光线不会xx遵循全反射定律（如图４所示）。角度分布的随机性使很大的一部分光出射了出来。Ｒ．Ｗｉｎｄｉｓｃｈ等人还发现表面相关尺度不是随意的，当它为波长的１／２左右时，才能出现较好的散射效果。图５所示即为经过处理的LED与未经处理的ＬＥＤ的比较，可以看出该技术所带来的美好前景。 1.1.4 分布布拉格反射层（DBR）结构 ＬＥＤ的结区发出的光是向上下两个表面出射的，而封装好的ＬＥＤ是“单向”发光，因此有必要将向下入射的光反射或直接出射。直接出射的方法即为透明衬底法，但该法成本较高，且工艺复杂，故较少采用。布拉格反射层是两种折射率不同的材料周期交替生长的层状结构，它在有源层和衬底之间，能够将射向衬底的光利用布拉格反射原理反射回上表面（如图６所示）。分布布喇格反射层法可以直接利用ＭＯＣＶＤ设备进行生长，无需再次加工处理，有很好的成本优势，因而目前已经应用于商业生产。 1.1.5 芯片外观结构处理 一般的ＬＥＤ都是立方体的结构，这样的结构使得光在ＬＥＤ内部传输的光程很长，造成有源层及自由载流子对光的吸收加剧。Ｋｒａｍｅｓ等人利用特殊的切片刀具，将ＩｎＧａＡｌＰ红光LED台面制成平头倒金字塔形状的结构，键合到透明基片上，实现了５０％以上的外量子效率。如图７所示，LED晶片被切去四个方向的下角，斜面与垂直方向的夹角为３５°，成倒金字塔形。ＬＥＤ的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，而以小于临界角的角度出射。同时使那些传播到上表面大于临界角的光重新从侧面出射。这两种过程能同时减少光在内部传播的路程。 #Next# １．２ 封装 常见的LED封装有炮弹型和倒装式两种，如图１０所示，（ａ）为新型的倒装式，（ｂ）为老式的炮弹型。在倒装式封装内，将镜子的凹面朝向封装表面一侧，在上面配置蓝色LED芯片，芯片的表面一侧（发出蓝色光的一侧）朝向镜子凹面。通过采用这种结构，由蓝色LED芯片发出的蓝色光就会受到镜面的反射，并照射到封装表面。封装表面由于是利用混有荧光材料的环氧树脂进行封装的，因此部分蓝色光在照射到封装表面的过程中就会变成黄色光。而炮弹型则是把LED芯片设置到镜子凹面的底部部分，LED芯片的表面面向封装表面。据称，该产品在２０ｍＡ时亮度高达７ｃｄ，与其他公司的普通产品相比，亮度高出１倍左右。产品实例如图１１所示。 ２ 总结 |
