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提高LED发光效率的若干方法 主要内容 一、LED的制作工艺 二、提高LED发光效率的若干方法 一、LED的制作工艺 硅衬底LED外延片 蓝宝石衬底LED外延片 LED外延片垂直结构图 LED芯片结构简图 通过光刻、等离子体刻蚀、蒸镀金属等一系列工艺过程，在LED外延片上制作许许多多的LED芯片。 二、提高LED发光效率的若干方法 内量子效率： 光提取效率： 外量子效率： 由于MOCVD外延生长技术和多量子阱结构(MQW)的引入，使LED的内量子效率超过80%，提高的空间不大。反而在光提取效率方面，由于内部全反射，提取效率一直非常低（低于20%），成为抑制发光效率的主要原因。 内部全反射 1、光学增透膜 光学增透膜原理示意图 利用光线通过折射率为n1的薄膜时，在上下表面发生反射，设上下两种介质的折射率为 ，n0、n2 ，当两束反射光的光程差为半波长的奇数倍 时,两束光发生干涉相消，反射光强度减为最弱，当满足 时，反射光减为0，入射的光线除了被材料本身吸收外将完全透过。 2、LED芯片倒装结构 LED芯片倒装结构 在这种结构中，光从透明的蓝宝石衬底上射出，而且电极倒装焊接在基板上减少了电极对光的吸收。 还可以通过增加电极的厚度及用对光反射率较高的Ag、Al作为反射电极层，可以改善电流拥挤效应。 此外有源区更靠近热沉，热量可以快速通过基板传递出去。 3、改变LED形状 倒金字塔形LED芯片及光路示意图 Krames科研小组将蓝宝石衬底LED芯片倒置，切去四个方向的下角，斜面与垂直方向的夹角为35o。 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。 4、电极优化 LED的电极对光输出影响很大，如果电流扩散不充分、不均匀，会导致出光减少。 合理设计厚电极的形状可以提高LED的发光效率。如果电极太少，则无法充分均匀地扩展电流；如果电极太多，则会阻挡光的取出。 不同电极形状 （中山大学半导体照明系统研究中心） 4、表面粗化 表面粗化原理示意图 降低LED内部光全反射的一个最常用、行之有效的方法就是在LED表面进行粗化，减少内反射，从而提高出光效率。 早在1993年Schnitze等人在GaAs基LED芯片表面进行粗化，提出表面微小的粗化可以导致光线运动紊乱，从而就有更多的光线满足逃逸角。 表面粗化的特点： 粗化的部位：粗化p-GaN层、粗化n-GaN层、粗化透明电极层。 粗化的方法：KOH溶液湿法腐蚀、强酸溶液湿法腐蚀、ICP干法刻蚀、激光干法刻蚀等。 掩膜的选择：金属Pt或Ni在高温下退火形成的金属小球、光刻胶、聚苯乙烯小球等。 Periyayya Uthirakumar 科研小组用湿法腐蚀方法进行表面粗化 粗化表面形貌及发光对比 参考资料： 1、史光国，“半导体发光二极管及固体照明[M]”，科学出版社，2007. 2、E. Fred Schubert. “Light-emitting Diodes. Rensselaer Polytechnic Institute[M]”, 2006: 84. 3、唐晋发，郑权，“应用薄膜光学[M]”.上海科学技术出版社，1984. 4、Krames M R, Ochiai-Holcomb M, Hofler G E, et al., “High-power truncated-inverted-pyramid (AlxGa,_X)o.slno.sP}GaP light-emitting diodes exhibiting 50 external quantum efficiency[J]”. Appl. Phys. Lett., 1999, 75: 2365-2367. 5、张佰君，《高亮度LED结构》课件. 6、Nanoscale ITO ZnO layer-texturing for high-efficiency InGaN GaN light emitting diodes * *