半導體固態照明采用發光二極管(led,light emitting diode)，不僅可以節約能源、減少污染、還具有體積小、壽命長、控制靈活方便等優點。目前，限制led性能提高的主要原因是光提效率不高，導致亮度不高，發熱嚴重，嚴重影響了以led芯片為核心的半導體照明的普及。本文就led器件中光提取效率提高途徑問題，介紹了技術研究與工業生產中通常采用的轉移襯底結構、電流分布與電流擴展結構、芯片形狀幾何化結構、表面微結構等幾種常見的光提取效率提高技術，分析了這些技術的理論原理和應用現狀，并指出led作為綠色照明的新一代光源，尚存在巨大的開發潛力。

　　這些年來，隨著半導體照明的不斷深入發展，led以其高電光轉換效率和綠色環保的優勢受到越來越廣泛的關注。半導體照明產品中的核心組成部分--led芯片，其研究與生產技術有了飛速的發展，芯片亮度和可靠性不斷提高。在led芯片的研發和生產過程中，器件外量子效率的提高一直是核心內容，因此，光提取效率的提高顯得至關重要。

　　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由電子空穴復合所產生的光子的比例。在傳統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部無法出射而轉變成熱，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，使得器件體內產生的光子更多地發射到體外，并改善器件內部熱特性，經過多年的研究和實踐，人們已經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且有效的光提取效率提高的方法。

　　倒裝結構

　　為了減少襯底對光子的吸收，采用了轉移襯底的倒裝結構。對于GaAs基AlGaInP系紅黃光led,倒裝結構是基于芯片鍵合(Wafer Bonding)技術，將導電導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熱性能較差的GaAs襯底，使光從器件的N面透射出來。一般情況下，在鍵合界面上都會制作全方位反射鏡，使射向不透明襯底一側的光子能反射到出光面提取出來，因此這種結構大大提高了器件的光提取效率，倒裝結構示意圖如圖1所示[2].

　　對于藍寶石外延襯底生長的GaN基藍、綠光led,在去除藍寶石不導電襯底的同時，采用了導熱、導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題，而且大大節約了芯片的面積，在大功率器件應用上有重要意義。

　　目前，各科研單位和生產廠家都意識到了倒裝結構芯片的優勢。市場上銷售的尺寸為40mil左右的大功率led芯片除了SiC襯底的藍光led以外，大部分為采用Wafer Bonding技術的芯片，在光強、功率方面較正裝芯片有非常明顯的優勢。

　　但是，倒裝芯片由于必須采用鍵合技術，在大規模生產中成品率并不高，而且受鍵合設備產能和工藝的限制，產能尚不能與普通正裝芯片相比，因此倒裝led芯片的生產成本較高。不過，由于芯片結構本身巨大的開發潛力，隨著鍵合技術的深入研究與發展，成品率和產能問題將會得到改善，倒裝芯片將會成為大功率led芯片市場的主流。

　　電流分布與電流擴展結構

　　在上下電極結構的led器件中，電流從電極注入，發光的有源區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，這使得有源區所發的光大部分被上電極遮擋而無法透射出來。因此，在器件設計時，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圍，再注入有源區發光，從而使發出的光能夠被提取出來，充分利用注入電流。

　　為達到改善電流傳輸的目的，需要在led電極下方制作電流擴展層，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，在生長工藝中很難做到高摻雜實現高電導率，因此要達到良好的電流擴展效果就需要很厚的電流擴展層。還有一種方法是生長高摻雜的N型半導體與P型上表面形成隧道結，利用N型半導體的高電導率來進行電流擴展，不過這種方法也沒有收到好的效果。改進的技術是用透明導電的氧化銦錫薄膜做電流擴展層，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展效果，而且并未帶來過多的附加壓降，成為電流擴展方面常用的技術。

　　更為理想的改善電流運輸的方法是在電極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。這樣增加了光出射區域的電流分布，減小電極的陰影,使光子更好的從器件中提取出來。這種結構實現的方法有多種，一種是在外延結構上選取的電流阻擋區域上用二次外延的工藝或選區擴散和離子注入工藝引入一個異質結勢壘或PN結，不過由于工藝復雜、成本高，都未得到推廣。

　　芯片形狀幾何化結構

　　為了改善有效電流的發光，在電極及芯片幾何形狀上進行了深入的研究，典型的是透明襯底與倒金字塔結構，這樣一來，使得有源區產生的光子形成了五面出光的結構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正裝結構led,其光提取效率得到了很大的提高[3].

　　表面微結構

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

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

　　增透膜技術是在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電膜，通過調整該曾膜的折射率來增大出射角，使更大角度的光透射出來，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,,通過優化調整SiOxN1-x,的折射率，使光的出射角度最大，從而達到提高光提取效率的效果。然而，增透膜的方法對于用透明樹脂或硅膠封裝的小功率芯片而言，由于樹脂或硅膠的厚度遠大于增透膜厚度，從而使增透效果被掩蓋.實驗表明，雖然未封裝的帶有增透膜芯片光提取效率比無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平面，光的出射角不再嚴格的遵守折射定律，從而使出射的光在出光面產生漫反射。這樣從有源區發出的光就會以更大的概率出射，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，在實際的生產中，粗化表面特殊形狀的加工比較困難，推廣還有困難，大規模生產的工藝問題還需要進一步解決。

　　在具有折射率周期性變化的結構中，光子表現出波的性質，與晶格中的電子相似，這種結構稱為光子晶體。可以用一維、二維、三維的形式實現在光子晶體中引入缺陷，在帶隙中產生局域態，意味著正常的自發輻射能夠只維持一個所希望的模而抑制其他模。一個DBR-DBR的諧振腔led就是實現了一維光子晶體的概念，含有一個缺陷，就一定波長長度的諧振腔。

　　二維光子晶體應用到led中也有相關的報道，已經有了多種制備二維光子晶體晶格的技術，如光刻腐蝕、電化學、選擇性氧化等等。由于光子晶體限制了導波模，理論上的光提取效率可以達到90%以上。但是光子晶體led的研制尚為理論驗證和實驗室階段，尚不成熟。不過，對于未來的led光提取效率接近1的誘人前景，仍然吸引了很多研究機構對此進行研究探索。

　　結論

　　綜上所述，雖然led器件尚存在外量子效率較低的問題，但是，現在多種光提取效率提高技術已經應用到生產，取得了很好的效果，其他尚不成熟的優化工藝也在進一步的研究中。在現在led芯片產品的生產基礎上，尚有很大的開發空間。隨著研究和生產技術的發展，新技術會使led芯片的光提取效率會逐步的提高，越來越充分的體現出半導體照明節能環保的優勢。