(1)透明衬底技术

　　InGaAlP LED通常是在GaAs衬底上外延生长InGaAlP发光区GaP窗口区制备而成.与InGaAlP相比,GaAs材料具有小得多的禁带宽度,因此,当短波长的光从发光区与窗口表面射入GaAs衬底时,将被悉数吸收,成为器件出光效率不高的主要原因.在衬底与限制层之间生长一个布喇格反射区,能将垂直射向衬底的光反射回发光区或窗口,部分改善了器件的出光特性.一个更为有效的方法是先去除GaAs衬底,代之于全透明的GaP晶体.由于芯片内除去了衬底吸收区,使量子效率从4%提升到了25-30%.三年前,为进一步减小电极区的吸收,有人将这种透明衬底型的InGaAlP器件制作成截角倒锥体的外形,使量子效率有了更大的提高,如图9所示.显然,这种截角倒锥体形状的器件使透光面积增得更大,在红光区,这类器件的外量子效率可超过50%.

　　图10指出了各类器件的光通量与正向电流的关系,明显表明了三类器件光通量的差异.对于吸收衬底的器件,由于量子效率很低,极大部分的输入能量变成了热,在很小的正向电流下,器件的结温就升得很高,使光通量迅速下降.透明衬底的LED器件,由于相当一部分输入电能变成了光能,相对地减少了升温效应,使器件可在大得多的电流状态下工作.

　　(2)金属膜反射技术

　　如果说透明衬底工艺首先起源于美国的HP、Lumileds等公司,那么金属膜反射法主要被日本、台湾等地的一些公司进行了大量的研究与发展.这种工艺不但回避了透明衬底专利,而且,更利于规模生产.其效果可以说与透明衬底法具有异曲同工之妙.该工艺通常谓之MB工艺,其基本要点如图11所示.首先去除GaAs衬底,然后在其表面与Si基底表面同时蒸镀Al质金属膜,然后在一定的温度与压力下熔接在一起.如此,从发光层照射到基板的光线被Al质金属膜层反射至芯片表面,从而使器件的发光效率提高2.5倍以上.实验证明,MB型红色LED,当电流为400mA与800mA时,光通量可分别达到37lm与74lm.该类器件已在日本三肯电气、台湾国联、全新等公司进入小批量生产.与传统器件相比,光效得到了大幅度提高.除MB结构的器件外,台湾国联还开发了一种谓之GB型的高亮度InGaAlP LED的新一代器件.所谓GB是英文Giga Bright的缩写.该工艺是采用一种新型的透明膠,将具有GaAs吸收衬底的LED外延片与一片蓝宝石基板粘合在一起,随后再将GaAs吸收衬底去除,并在外延层上制作电极,从而获得了很高的发光效率.

　　(3)表面微结构技术

　　表面微结构工艺是提高器件出光效率的又一个有效技术,该技术的基本要点是在芯片表面刻蚀大量尺寸为光波长量级的小结构,每个结构呈截角四面体状,如此不但扩展了出光面积,而且改变了光在芯片表面处的折射方向,从而使透光效率明显提高.图12指出了在具有纹理结构LED芯片的N种出光模式,由于纹理边缘的存在,使许多本来大于临界角的光可通过边缘部位的反射或折射透射出器件表面.显然,表面处纹理结构的存在,在出光机理上等同于大幅度增加了窗口层的厚度.窗口层的厚度越薄,纹理腐蚀得越深,则出光率的增加将越明显.测量指出,对于窗口层厚度为20µm的器件,出光效率可增长30%.当窗口层厚度减至10µm时,出光效率将有60%的改进.对于585-625nm波长的LED器件,制作纹理结构后,发光效率可达30lm/w,其值已接近透明衬底器件的水平.

　　(4)倒装芯片技术

　　通常兰绿光及白光LED的结构如图13所示.通过MOCVD技术在兰宝石衬底上生长GaN基LED结构层,由P/N结发光区发出的光透过上面的P型区射出.由于P型GaN传导性能不佳,为获得良好的电流扩展,需要通过蒸镀技术在P区表面形成一层Ni-Au组成的金属电极层.P区引线通过该层金属薄膜引出.为获得好的电流扩展,Ni-Au金属电极层就不能太薄.为此,器件的发光效率就会受到很大影响,通常要同时兼顾电流扩展与出光效率二个因素.但无论在什么情况下,金属薄膜的存在,总会使透光性能变差.此外,引线焊点的存在也使器件的出光效率受到影响.

　　采用GaN LED倒装芯片的结构可以从根本上消除上面的问题,如图14所示.由于芯片倒装于Si基垫上,LED发出的光直接透过兰宝石射出,不存在上述的Ni-Au金属膜与引线电极,因此出射的光没有损失,加上下面P-GaN层上蒸镀有Ag反射膜,进一步增强了出射光的强度.图15指出了兰绿光LED的量子效率随峰值波长的变化.实验指出,在450~530nm的峰值波长区域,倒装功率型LED器件的量子效率要比普通型器件高出1.6倍.