摘 要: 文章针对高效照明用LED，发光效率是其最重要的参数。目前，LED的内量子效率可以达到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。本文着重介绍目前提高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

　　一、前 言

　　自LED诞生以来，其作为一种新型的发光体就倍受关注。特别是进入21世纪后世界面临严重的能源、环境危机。在发达国家里，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，我国照明用电就高达3000亿度，相当于三峡完工后的年发电量的三倍以上。而且我国的发电主要还是依靠火力，因此对于环境的污染也非常的严重。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，是下一代照明的不二之选。下表[1]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、寿命上占有绝对的优势，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着一领域的发展，新产品、新技术层出不穷。

　　 LED的光电的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。这是由于Cex 非常的低的缘故。这主要是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为介绍。

　　二、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，内量子效率会比较大的下降。因此要提高发光效率必须控制结温和提高出光效率。

　　2．1提高LED芯片出射效率的技术

　　2．1．1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。[4]理论上讲，这种方法可以提高光的出射率一倍。

　　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最先在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%。

　　 图1:制作透明衬底用GaP代替GaAs

　　2．1．2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格禁止传播的. 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它方向传播,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时,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,可以制作高效率的发光二极管。实验已证明,发光效率可以达90 %以上。

　　早期的光子晶体的制备采用反应离子束刻蚀技术在一块介电材料的表面以偏离法线35. 26°的角度从3 个方向钻孔、各方向的夹角为120°。这是一种由许多面心立方体构成的空间周期性结构,也称为钻石结构。 目前以 zbay 等发展的逐层叠加结构方法为主，其用许多片二维周期性结构叠加在一起而构成三维光子晶体。其他的方法还有乳液沉积干燥法，但那是对溶液进行的，并不适用于半导体。

　　2003年，松下电器产业根据光子晶体原理开发成功了效率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（如下图所示）。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，所以成本十分高昂，离最终的产业化距离尚远。

图2：具备圆柱状凸起光子晶体的白光LED

　　2.1.3 表面粗化技术（surface-textured LED）

　　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。加洲大学的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300 nm 的聚苯乙烯球镀在LED 的表面，这些小球遮挡一部分表面，然后用等离子腐蚀的方法将未遮蔽的表面腐蚀到深度为170 nm左右，形成了粗糙的LED 表面。德国物理技术研究所的R.Windisch 等人用430 nm 的聚苯乙烯球进行了进一步的实验，效果也很好。

图3：表面粗化后的LED结构

　　2．1．4? 分布布喇格反射层（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。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。分布布喇格反射层法可以直接利用MOCVD设备进行生长，无须再次加工处理，有很好的成本优势，因而目前已经应用于商业生产。

图6:生长在衬底和外延片之间的DBR结构

　　2。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。如下图所示，LED 晶片被切去四个方向的下角，斜面与垂直方向的夹角为35o，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小光在内部传播的路程。

　　
图7:倒金字塔形LED

　　另外的一种方法是将正方形的LED芯片变为圆形。据北大的隋文辉[11]等人的最近的研究表明,利用环状电极制成的圆形LED,其发光效率可以比传统的方形LED更高。其在圆盘型光学微腔研究中证实,圆形的LED中存在回音壁模式和圆盘的径向模式,他提出了将倒金字塔形结构改为倒原圆锥体并加上微细结构的设计。实验证明，这确实大大加强了LED出射的光强。如下图所示，ＣＯ为不带微结构的圆台型LED;ＣＲ为圆台内侧边缘加一个同心环状沟槽的ＬＥＤ;ＲＳ和ＲＬ是带有同样数目但不同宽度同心环沟槽微结构的ＬＥＤ,ＲＳ和ＲＬ分别对应窄的和宽的环状沟槽。[10]他发现，在相同注入电流下,与没有微结构的普通圆台形ＬＥＤ(ＣＯ)相比,具有环形沟槽微结构的ＬＥＤ的发光光谱强度有不同程度的提高,其中带有一个环形沟槽的ＬＥＤ(ＣＲ)的光谱积分强度增强至2. 5倍,而带有多个环形沟槽的ＬＥＤ即ＲＳ和ＲＬ分别增强至17 .2和21.6倍。

　　图8:各种LED 的光强比较

　　2．2　封装

　　常见的LED封装有炮弹形和倒装式两种，如下图9所示，左边为新式的倒装形，右边为老式的炮弹式。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萤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。而炮弹式则是把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。

图10:新型倒装式和老式炮弹形LED　　　　　　　　　　　　　图11:产品实例

　　三、总结

　　目前，LED已广泛应用于手机的背光照明、光显示、交通灯、信号灯等领域，但在传统照明领域里由于受成本、光效的影响而应用不广。以上说介绍的提高LED发光效率的种种方法，大多数还局限于实验室环境或理论，即使有大幅提高光效的方法，也由于成本过高、工艺复杂而难于商业化。但LED作为下一代照明器件的总体趋势是不会改变的。只要在关键技术环节取得突破，那么一次照明的革命势必发生。现在，全世界各国都非常重视LED技术的发展，新技术层出不穷。相信不久的将来，LED就可以作为环保、经济、节能的新光源而出现在各个领域。

编辑：中国照明网 刘 立