(1)透明襯底技術

　　InGaAlP LED通常是在GaAs襯底上外延生長InGaAlP發光區GaP窗口區制備而成.與InGaAlP相比,GaAs材料具有小得多的禁帶寬度,因此,當短波長的光從發光區與窗口表面射入GaAs襯底時,將被悉數吸收,成為器件出光效率不高的主要原因.在襯底與限制層之間生長一個布喇格反射區,能將垂直射向襯底的光反射回發光區或窗口,部分改善了器件的出光特性.一個更為有效的方法是先去除GaAs襯底,代之于全透明的GaP晶體.由于芯片內除去了襯底吸收區,使量子效率從4%提升到了25-30%.三年前,為進一步減小電極區的吸收,有人將這種透明襯底型的InGaAlP器件制作成截角倒錐體的外形,使量子效率有了更大的提高,如圖9所示.顯然,這種截角倒錐體形狀的器件使透光面積增得更大,在紅光區,這類器件的外量子效率可超過50%.

　　圖10指出了各類器件的光通量與正向電流的關系,明顯表明了三類器件光通量的差異.對于吸收襯底的器件,由于量子效率很低,極大部分的輸入能量變成了熱,在很小的正向電流下,器件的結溫就升得很高,使光通量迅速下降.透明襯底的LED器件,由于相當一部分輸入電能變成了光能,相對地減少了升溫效應,使器件可在大得多的電流狀態下工作.

　　(2)金屬膜反射技術

　　如果說透明襯底工藝首先起源于美國的HP、Lumileds等公司,那么金屬膜反射法主要被日本、臺灣等地的一些公司進行了大量的研究與發展.這種工藝不但回避了透明襯底專利,而且,更利于規模生產.其效果可以說與透明襯底法具有異曲同工之妙.該工藝通常謂之MB工藝,其基本要點如圖11所示.首先去除GaAs襯底,然后在其表面與Si基底表面同時蒸鍍Al質金屬膜,然后在一定的溫度與壓力下熔接在一起.如此,從發光層照射到基板的光線被Al質金屬膜層反射至芯片表面,從而使器件的發光效率提高2.5倍以上.實驗證明,MB型紅色LED,當電流為400mA與800mA時,光通量可分別達到37lm與74lm.該類器件已在日本三肯電氣、臺灣國聯、全新等公司進入小批量生產.與傳統器件相比,光效得到了大幅度提高.除MB結構的器件外,臺灣國聯還開發了一種謂之GB型的高亮度InGaAlP LED的新一代器件.所謂GB是英文Giga Bright的縮寫.該工藝是采用一種新型的透明膠,將具有GaAs吸收襯底的LED外延片與一片藍寶石基板粘合在一起,隨后再將GaAs吸收襯底去除,并在外延層上制作電極,從而獲得了很高的發光效率.

　　(3)表面微結構技術

　　表面微結構工藝是提高器件出光效率的又一個有效技術,該技術的基本要點是在芯片表面刻蝕大量尺寸為光波長量級的小結構,每個結構呈截角四面體狀,如此不但擴展了出光面積,而且改變了光在芯片表面處的折射方向,從而使透光效率明顯提高.圖12指出了在具有紋理結構LED芯片的N種出光模式,由于紋理邊緣的存在,使許多本來大于臨界角的光可通過邊緣部位的反射或折射透射出器件表面.顯然,表面處紋理結構的存在,在出光機理上等同于大幅度增加了窗口層的厚度.窗口層的厚度越薄,紋理腐蝕得越深,則出光率的增加將越明顯.測量指出,對于窗口層厚度為20µm的器件,出光效率可增長30%.當窗口層厚度減至10µm時,出光效率將有60%的改進.對于585-625nm波長的LED器件,制作紋理結構后,發光效率可達30lm/w,其值已接近透明襯底器件的水平.

　　(4)倒裝芯片技術

　　通常蘭綠光及白光LED的結構如圖13所示.通過MOCVD技術在蘭寶石襯底上生長GaN基LED結構層,由P/N結發光區發出的光透過上面的P型區射出.由于P型GaN傳導性能不佳,為獲得良好的電流擴展,需要通過蒸鍍技術在P區表面形成一層Ni-Au組成的金屬電極層.P區引線通過該層金屬薄膜引出.為獲得好的電流擴展,Ni-Au金屬電極層就不能太薄.為此,器件的發光效率就會受到很大影響,通常要同時兼顧電流擴展與出光效率二個因素.但無論在什么情況下,金屬薄膜的存在,總會使透光性能變差.此外,引線焊點的存在也使器件的出光效率受到影響.

　　采用GaN LED倒裝芯片的結構可以從根本上消除上面的問題,如圖14所示.由于芯片倒裝于Si基墊上,LED發出的光直接透過蘭寶石射出,不存在上述的Ni-Au金屬膜與引線電極,因此出射的光沒有損失,加上下面P-GaN層上蒸鍍有Ag反射膜,進一步增強了出射光的強度.圖15指出了蘭綠光LED的量子效率隨峰值波長的變化.實驗指出,在450~530nm的峰值波長區域,倒裝功率型LED器件的量子效率要比普通型器件高出1.6倍.