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提高LED的出光效率方法研究 摘要：本文介绍了提高LED的出光效率的几种方法及其研究进展方向，包括优化芯片发光层结构；提高光引出效率的芯片技术；光子晶体技术；电极和电流扩展技术；光学薄膜技术；改进光学封装技术，采用二次光学设计技术等。 关键词：发光效率 芯片技术 光子晶体 光学薄膜 光学设计 LED是一种半导体PN结二极管，当有一个正向电压施加于PN结两端时，载流子从低能态被激发到高能态并处于不稳定状态而返回到低能态复合时，根据能量守恒定理，多余的能量将以光子形式释放。LED这种电致发光原理使其成为一种固体冷光源，而不是像白炽灯等通过使物体升温而发光的。LED光源是第四代光源，它的出现和发展将引发照明领域中的一次革命，具有划时代的意义。 随着MOCVD外延生长技术和多量子阱结构的发展，人们在精确控制外延生长、掺杂浓度和减少位错等方面都取得了突破，外延片的内量子效率已有很大提高。像AlInGaP基LED，内量子效率已接近极限，可达100%。由于LED的外量子效率取决于外延材料的内量子效率和芯片的出光效率，提高LED发光效率的关键是提高芯片的外量子效率，这在很大程度上取决于芯片的出光效率。同时，LED的封装结构等也对出光效率有很大的影响。 提高LED出光效率的技术途径大概有几种： 优化芯片发光层结构； 提高光引出效率的芯片技术； 光子晶体技术； 电极和电流扩展技术； 光学薄膜技术； 改进光学封装技术，采用二次光学设计技术等。 优化芯片发光层结构 通过设计不同的发光层结构，可以提高LED的光效。主要采用两种发光层结构：双异质结和量子阱结构。双异质结的P区和N区有带隙不同的半导体组分，两个势垒层对注入的载流子起限域作用，即通过第一个异质结界面扩散进入活性层的载流子，会被第二个异质结界面阻挡在活性层中，只是双异质结的活性层厚度远小于同质结，从而有效地提高注入载流子浓度和复合效率。量子阱结构取决于活性层的厚度，不同的厚度活性层对载流子的限域和效率提高有不同作用。采用量子阱结构的活性层可以更薄。 提高光引出效率的芯片技术 传统LED用透明环氧树脂酱LED芯片和导线架包??后的只能控制叫狭窄范围内的光线，因而会造成较大的光损失，使光的利用率收到限制。芯片和环氧树脂，不透明衬底材料对光的吸收也会造成LED的光效降低。主要采用以下几种技术和方法提高LED的光引出效率： 在芯片与电极之间加入后窗口层，可以有效地扩大光引出角锥提高出光效率； 双反射DR和分布式布拉格反射DBR结构 提高LED发光效率的方法根本上上可分为两种，分别是增加芯片(chip)本身的发光量；另一种方法是有效利用芯片产生的光线，增加光线照射至预期方向的照射量。前者是设法提高芯片活性层的发光效率，以及改善芯片形状增加外部取光效率，或是将芯片大型化利用高密度电流增加发光量；后者是利用光波控制技术，亦即利用封装树脂形成特殊的光学结构，使芯片产生的光线照射至预期的方向。 DB LED采用在环氧树脂与空气接口处形成全反射面，利用一个反射镜使全反射面全反射的光线先前反射，是光线朝预订方向射出，从而大大减小光损失。如下所示： DBR LED 由交替的多层高折射率和低折射率的材料组成，每层的光学厚度为发射波长的1/4.周期越多，折射率差越大，DBR的反射率就越高，从而减少衬底吸收量，适用于难以实现透明衬底的材料，如以GaAs做衬底的AlGaAs和AlInGaP器件。DBR结构直接利用MOCVD设备进行生长，无须再次进行加工处理。其结构如下图所示： 倒装芯片技术 早起LED芯片为正装形式，由于蓝宝石衬底是绝缘的，所以P型区电极和N型区电极只能被置于外延材料表面的同一侧，导致一部分光被欧姆接触电极和键合引线所吸收和遮挡，影响期间的发光效率。倒装结构可以减小光在LED内部反射而造成的有源层及自由载流子对光的吸收。光在内部的反射次数越多，路径越长，造成的损失越大。通过改变LED的几何形状，可以缩短光在LED内部反射的路程。这种技术于1999年被提出，通过在透明衬底LED基础上的再次加工，将bonding后的LED晶片导致，切去四个方向的下角，，如下图所示，斜面与垂直方向的夹角为35°。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，而以小鱼临界角的角度初涉，同时使上表面大于临界角的光重新从侧面射出。这两种过程能同时减小光在内部的光程。 表面粗糙化纹理结构 表面粗糙化通过散射光的方向来减少反射，但同时不损伤材料的电学和光学特性。表面粗糙化主要作用是增加透射率，将满足全反射定律的光改变方向，继而在另一表面被反射回来原表面时不被全反射而透过界面，起防反射功能。光子的反射路径被封闭在纹理结构之中，使有源层发出的光子能够有效的被取出。纹理表面不影响光束角特性，且适用于比例放大的功率型大尺寸LED芯片