半導(dǎo)體固態(tài)照明采用發(fā)光二極管(led,light emitting diode)，不僅可以節(jié)約能源、減少污染、還具有體積小、壽命長(zhǎng)、控制靈活方便等優(yōu)點(diǎn)。目前，限制led性能提高的主要原因是光提效率不高，導(dǎo)致亮度不高，發(fā)熱嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了以led芯片為核心的半導(dǎo)體照明的普及。本文就led器件中光提取效率提高途徑問(wèn)題，介紹了技術(shù)研究與工業(yè)生產(chǎn)中通常采用的轉(zhuǎn)移襯底結(jié)構(gòu)、電流分布與電流擴(kuò)展結(jié)構(gòu)、芯片形狀幾何化結(jié)構(gòu)、表面微結(jié)構(gòu)等幾種常見(jiàn)的光提取效率提高技術(shù)，分析了這些技術(shù)的理論原理和應(yīng)用現(xiàn)狀，并指出led作為綠色照明的新一代光源，尚存在巨大的開(kāi)發(fā)潛力。

　　這些年來(lái)，隨著半導(dǎo)體照明的不斷深入發(fā)展，led以其高電光轉(zhuǎn)換效率和綠色環(huán)保的優(yōu)勢(shì)受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。半導(dǎo)體照明產(chǎn)品中的核心組成部分--led芯片，其研究與生產(chǎn)技術(shù)有了飛速的發(fā)展，芯片亮度和可靠性不斷提高。在led芯片的研發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中，器件外量子效率的提高一直是核心內(nèi)容，因此，光提取效率的提高顯得至關(guān)重要。

　　led的光提取效率是指出射到器件外可供利用的光子與外延片的有源區(qū)由電子空穴復(fù)合所產(chǎn)生的光子的比例。在傳統(tǒng)led器件中，由于襯底吸收、電極阻擋、出光面的全反射等因素的存在，光提取效率通常不到10%,絕大部分光子被限制在器件內(nèi)部無(wú)法出射而轉(zhuǎn)變成熱，成為影響器件可靠性的不良因素，尤其在大功率led器件中。

　　為提高光提取效率，使得器件體內(nèi)產(chǎn)生的光子更多地發(fā)射到體外，并改善器件內(nèi)部熱特性，經(jīng)過(guò)多年的研究和實(shí)踐，人們已經(jīng)提出了多種光提取效率提高的方法。下面介紹幾種較為常見(jiàn)且有效的光提取效率提高的方法。

　　倒裝結(jié)構(gòu)

　　為了減少襯底對(duì)光子的吸收，采用了轉(zhuǎn)移襯底的倒裝結(jié)構(gòu)。對(duì)于GaAs基AlGaInP系紅黃光led,倒裝結(jié)構(gòu)是基于芯片鍵合(Wafer Bonding)技術(shù)，將導(dǎo)電導(dǎo)熱性能更好的襯底與外延片的P面鍵合，然后去除吸收光且導(dǎo)熱性能較差的GaAs襯底，使光從器件的N面透射出來(lái)。一般情況下，在鍵合界面上都會(huì)制作全方位反射鏡，使射向不透明襯底一側(cè)的光子能反射到出光面提取出來(lái)，因此這種結(jié)構(gòu)大大提高了器件的光提取效率，倒裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[2].

　　對(duì)于藍(lán)寶石外延襯底生長(zhǎng)的GaN基藍(lán)、綠光led,在去除藍(lán)寶石不導(dǎo)電襯底的同時(shí)，采用了導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能更好的襯底材料(例如硅、銅等)使器件的散熱性能更好，而且避免了雙面電極器件中電流擁堵問(wèn)題，而且大大節(jié)約了芯片的面積，在大功率器件應(yīng)用上有重要意義。

　　目前，各科研單位和生產(chǎn)廠家都意識(shí)到了倒裝結(jié)構(gòu)芯片的優(yōu)勢(shì)。市場(chǎng)上銷(xiāo)售的尺寸為40mil左右的大功率led芯片除了SiC襯底的藍(lán)光led以外，大部分為采用Wafer Bonding技術(shù)的芯片，在光強(qiáng)、功率方面較正裝芯片有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

　　但是，倒裝芯片由于必須采用鍵合技術(shù)，在大規(guī)模生產(chǎn)中成品率并不高，而且受鍵合設(shè)備產(chǎn)能和工藝的限制，產(chǎn)能尚不能與普通正裝芯片相比，因此倒裝led芯片的生產(chǎn)成本較高。不過(guò)，由于芯片結(jié)構(gòu)本身巨大的開(kāi)發(fā)潛力，隨著鍵合技術(shù)的深入研究與發(fā)展，成品率和產(chǎn)能問(wèn)題將會(huì)得到改善，倒裝芯片將會(huì)成為大功率led芯片市場(chǎng)的主流。

　　電流分布與電流擴(kuò)展結(jié)構(gòu)

　　在上下電極結(jié)構(gòu)的led器件中，電流從電極注入，發(fā)光的有源區(qū)電流集中在上電極下面。由于led器件縱向很薄，光基本只能從上表面出射，而金屬電極是不透明的，這使得有源區(qū)所發(fā)的光大部分被上電極遮擋而無(wú)法透射出來(lái)。因此，在器件設(shè)計(jì)時(shí)，希望改變器件中電流的傳輸方向，將電流盡量分布到電極周?chē)僮⑷胗性磪^(qū)發(fā)光，從而使發(fā)出的光能夠被提取出來(lái)，充分利用注入電流。

　　為達(dá)到改善電流傳輸?shù)哪康模枰趌ed電極下方制作電流擴(kuò)展層，目的是使電流分散到電極之外。這要求外延片表面的有一層電導(dǎo)率高而且透明的材料。一般正裝led芯片上表面為P型，在生長(zhǎng)工藝中很難做到高摻雜實(shí)現(xiàn)高電導(dǎo)率，因此要達(dá)到良好的電流擴(kuò)展效果就需要很厚的電流擴(kuò)展層。還有一種方法是生長(zhǎng)高摻雜的N型半導(dǎo)體與P型上表面形成隧道結(jié)，利用N型半導(dǎo)體的高電導(dǎo)率來(lái)進(jìn)行電流擴(kuò)展，不過(guò)這種方法也沒(méi)有收到好的效果。改進(jìn)的技術(shù)是用透明導(dǎo)電的氧化銦錫薄膜做電流擴(kuò)展層，用電子束蒸鍍的方法做在芯片上表面，收到了很好的電流擴(kuò)展效果，而且并未帶來(lái)過(guò)多的附加壓降，成為電流擴(kuò)展方面常用的技術(shù)。

　　更為理想的改善電流運(yùn)輸?shù)姆椒ㄊ窃陔姌O下方制作電流阻擋層，阻隔電流，使電流不從電極正下方通過(guò)。這樣增加了光出射區(qū)域的電流分布，減小電極的陰影,使光子更好的從器件中提取出來(lái)。這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的方法有多種，一種是在外延結(jié)構(gòu)上選取的電流阻擋區(qū)域上用二次外延的工藝或選區(qū)擴(kuò)散和離子注入工藝引入一個(gè)異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘或PN結(jié)，不過(guò)由于工藝復(fù)雜、成本高，都未得到推廣。

　　芯片形狀幾何化結(jié)構(gòu)

　　為了改善有效電流的發(fā)光，在電極及芯片幾何形狀上進(jìn)行了深入的研究，典型的是透明襯底與倒金字塔結(jié)構(gòu)，這樣一來(lái)，使得有源區(qū)產(chǎn)生的光子形成了五面出光的結(jié)構(gòu)而且可以改變光子傳播方向，形成多次反射，相比正面出光的常規(guī)正裝結(jié)構(gòu)led,其光提取效率得到了很大的提高[3].

　　表面微結(jié)構(gòu)

　　led芯片有源區(qū)產(chǎn)生的光子從芯片表面發(fā)射出來(lái)，由于器件出射面材料的折射率相對(duì)較大(例如GaP的折射率為3.32,GaN為2.5)，在出射表面會(huì)產(chǎn)生全反射，導(dǎo)致只有部分角度的光能夠從器件中出射出來(lái)，其他角度較大的光被反射回芯片內(nèi)部無(wú)法提取出來(lái)。這也是led芯片光提取效率低的一個(gè)重要原因。

　　解決這一問(wèn)題就需要對(duì)led出光表面進(jìn)行處理。一般有幾種做法：增透膜技術(shù)、表面粗化技術(shù)、光子晶體技術(shù)。

　　增透膜技術(shù)是在led的出光表面鍍做一層折射率在外延表層材料和空氣之間的透明導(dǎo)電膜，通過(guò)調(diào)整該曾膜的折射率來(lái)增大出射角，使更大角度的光透射出來(lái)，減小全反射。以表面為GaP的紅光led為例，表面可以鍍一層SiOxN1-x,,通過(guò)優(yōu)化調(diào)整SiOxN1-x,的折射率，使光的出射角度最大，從而達(dá)到提高光提取效率的效果。然而，增透膜的方法對(duì)于用透明樹(shù)脂或硅膠封裝的小功率芯片而言，由于樹(shù)脂或硅膠的厚度遠(yuǎn)大于增透膜厚度，從而使增透效果被掩蓋.實(shí)驗(yàn)表明，雖然未封裝的帶有增透膜芯片光提取效率比無(wú)增透膜芯片亮度提高很多，但是封裝后差距并不大。

　　表面粗化技術(shù)是人為的將光滑平整的器件表面做出圖形，使得出光表面不再是一個(gè)平面，光的出射角不再?lài)?yán)格的遵守折射定律，從而使出射的光在出光面產(chǎn)生漫反射。這樣從有源區(qū)發(fā)出的光就會(huì)以更大的概率出射，光的提取效率提高。一般的做法是用蝕刻的方法在器件的出光面做出許多小丘，控制小丘的密度和形狀，可以提高提高出光效率50%-70%.不過(guò)，在實(shí)際的生產(chǎn)中，粗化表面特殊形狀的加工比較困難，推廣還有困難，大規(guī)模生產(chǎn)的工藝問(wèn)題還需要進(jìn)一步解決。

　　在具有折射率周期性變化的結(jié)構(gòu)中，光子表現(xiàn)出波的性質(zhì)，與晶格中的電子相似，這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為光子晶體。可以用一維、二維、三維的形式實(shí)現(xiàn)在光子晶體中引入缺陷，在帶隙中產(chǎn)生局域態(tài)，意味著正常的自發(fā)輻射能夠只維持一個(gè)所希望的模而抑制其他模。一個(gè)DBR-DBR的諧振腔led就是實(shí)現(xiàn)了一維光子晶體的概念，含有一個(gè)缺陷，就一定波長(zhǎng)長(zhǎng)度的諧振腔。

　　二維光子晶體應(yīng)用到led中也有相關(guān)的報(bào)道，已經(jīng)有了多種制備二維光子晶體晶格的技術(shù)，如光刻腐蝕、電化學(xué)、選擇性氧化等等。由于光子晶體限制了導(dǎo)波模，理論上的光提取效率可以達(dá)到90%以上。但是光子晶體led的研制尚為理論驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)室階段，尚不成熟。不過(guò)，對(duì)于未來(lái)的led光提取效率接近1的誘人前景，仍然吸引了很多研究機(jī)構(gòu)對(duì)此進(jìn)行研究探索。

　　結(jié)論

　　綜上所述，雖然led器件尚存在外量子效率較低的問(wèn)題，但是，現(xiàn)在多種光提取效率提高技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到生產(chǎn)，取得了很好的效果，其他尚不成熟的優(yōu)化工藝也在進(jìn)一步的研究中。在現(xiàn)在led芯片產(chǎn)品的生產(chǎn)基礎(chǔ)上，尚有很大的開(kāi)發(fā)空間。隨著研究和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)會(huì)使led芯片的光提取效率會(huì)逐步的提高，越來(lái)越充分的體現(xiàn)出半導(dǎo)體照明節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。