1、引言

　　自从l991 年N ichia 公司Nakamura 等成功研制出掺Mg的同质结GaN 蓝光LED 后，GaN基LED 得到了迅速发展。GaN 基LED 以其寿命长、耐冲击、抗震、高效节能等优异特性在图像显示、信号指示、照明以及基础研究等方面有着极为广阔的应用前景[1]，将来还有可能代替白炽灯、荧光灯，实现人类照明史上的又一次革命。但目前商用白光LED 的发光效率只有25耀50 lm/W，其发光效率与荧光灯相比还比较低[2]。表1[3]给出了不同年份LED 的发光效率，可以看出近30 年来LED的发光效率提高了250 倍以上。随着LED 的应用越来越广泛，如何提高GaN 基LED 的发光效率越来越成为关注的焦点[2，4~6]。提高LED 发光效率的两个基本出发点是提高其内量子效率和外量子效率。由于工艺和技术的成熟，已经可以制备内量子效率达到70%，80%的GaN 基LED。因此，通过提高内量子效率来大幅度提高LED 发光效率已没有很大的余地[2]。半导体照明LED 关键技术之一也就是如何通过提高外量子效率来提升其出光效率。多年以来，人们开展了很多研究来提高其外量子效率[2]。下面主要介绍从芯片技术角度提高外量子效率的方法以及影响外量子效率的一些因素。

表1、不同生产年份LED的发光效率比较

　　2、提高外量子效率

　　2.1 生长分布布拉格反射层(DBR)结构

　　DBR (distributed Bragg reflector)结构早在20 世纪80 年代由R. D. Burnham 等[7]提出。它是两种折射率不同的材料周期交生长的层状结构，它在有源层和衬底之间，能够将射向衬底的光反射回表面或侧面，减少衬底对光的吸收，提高出光效率。DBR结构可以直接利用金属有机化学气相沉积发法(MOCVD)设备进行生长，无需再次加工处理。

　　DBR 结构由交替的多层高折射率和低折射率材料(折射率分别为nH 和nL)组成，每层的光学厚度为发射波长的1/4。每层的厚度hH和hL分别为:

　　其中，l0是发射波长，θH和θL分别是每层的入射角。DBR 结构的反射率由材料的折射率和周期数p决定。当DBR 结构为2p+1 层时，其反射率为:

　　当DBR 结构为2p 层，反射率为:

　　从(4)式可以看出：周期数越多，两种材料折射率相差越大，DBR 结构的反射率也越大。DBR结构的LED 如图1 所示。Kato 等和Saka 等[7]首先利用这种方法提高了吸收型GaAS 衬底上生长的红外GaAs/AlGaAs LED 的效率。具有GaN/AlGaNDBR 的AlInGaN蓝色LED 也已见报道。一般情况下应用10~20 个周期的DBR。

　　传统DBR 只对垂直入射和小角度入射的光有高反射率。对大倾斜角入射的光，由于其反射率很小，大部分光将透过DBR 被GaAs 衬底吸收，为此可以将两种不同中心波长的DBR 组合成复合结构，这样就可以扩展反射带，从而大幅度提高LED 器件的性能。于晓东等[9]制备了采用A10.6Ga0.4As/A1As复合DBR 的LED 器件，其出光效率较常规DBR 可以提约35豫，如配合其他优化结构，复合DBR 结构对LED 光提取效率的改善效果会更为明显。

　　带DBR 结构也可以直接利用酝韵悦灾阅设备进行一次外延生长完成，具有很好的成本优势，而且材料晶格常数与衬底匹配，反射率高，对器件的电学特性影响小，目前已经应用于商业生产。

　　2.2 透明衬底技术

　　除了采用DBR 结构将光反射掉，还可以将LED 的GaAs 衬底换成透明衬底，使光从下底面出射。透明衬底技术主要是为了消除吸收衬底的影响，增大出光表面积。

　　制作透明衬底的方法主要有：1) 透明衬底可以在LED 晶片生长结束后，移去吸光的n-GaAs衬底，利用二次外延生长出透明的、宽禁带导电层;2) 先在n-GaAs 衬底片上生长厚50 滋m 的透明层(例如AlGaAs)，然后再移去GaAs 衬底;3) 采用粘合技术[7]，如图2 所示，将两个不同性质的晶片结合到一起，并不改变原来晶体的性质。用选择腐蚀的方式将GaAs 衬底腐蚀掉后，在高温单轴力的作用下将外延片粘合到透明的n-GaP 上。制成的器件是GaP 衬底-有源层-GaP 窗口层的三明治结构。它允许光从6 个面出射，因而提高了出射效率[7]。

　　1994 年Hewlett-Packard 公司开始生产透明(AlxGa1-x)0.5In0.5P/GaP LED，这是当时所能获得的最高亮度的LED。据1996 年的报道[7]，636 nm 的透明LED 外量子效率可以达到23.7%;607.4 nm的透明衬底LED 的发光效率达到50.1 lm/[7]。

图2、制作透明衬底用GaP代替GaAs

　　还有，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，将被吸收，成为器件出光效率不高的主要原因。如果采用透明衬底方法，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，量子效率从4豫提升到了25%-30%。

　　2.3 衬底剥离技术

　　为了减少衬底的吸收，除了采用透明衬底技术外，还可以采用衬底剥离技术。它是利用紫外激光照射衬底，熔化缓冲层而实现衬底剥离。该技术主要由3 个关键工艺步骤完成: (1)在外延表面沉积键合金属层(如Pd 100 nm)，在键合底板上(如Si 底板)表面沉积一层1000 nm 的铟;(2)将外延片低温键合到底板上;(3) 用KrF脉冲准分子激光器照射蓝宝石底面，使蓝宝石和GaN 界面的GaN产生热分解，再通过加热(40益)使蓝宝石脱离GaN[10]。

　　这项技术首先由美国惠普公司在AlGaInP/GaAs LED 上实现，因为GaAs 衬底的吸收，使得LED 内部光损失非常大。通过剥离GaAs 衬底，然后粘接在GaP衬底上，可以提高近2 倍的发光效率。2002 年12 月日亚公司[11]正式把它用UV LED 的工艺上，得其发光效率得到了很大的提高。2003 年2 月，德国OSRAM 公司[12]用激光剥离技术(LLO)将蓝宝石去除，将LED 出光效率提至75 %，是传统LED 的3 倍，目前他们已建立了第一条LLO生产线。

　　此外，德国Osram Opto 半导体公司[13]通过使用薄膜技术，发明了一种无衬底的LED 设计方法，它采用GaAs 衬底用作晶体生长，制作过程中，在LED 的上表面镀了一层金属膜，然后粘合到一个分离的作为载体的薄晶片上。这种技术比传统的LED 允许发射出更多的光。采用这种结构的615 nm 红色LED 能够获得超过50 lm/W 的发光效率，使出光效率提高了一倍以上。

　　还有，如果将芯片键合到Cu片上，再用激光剥离蓝宝石衬底，可使散热能力提高4 倍。Si 的热导率比GaAs 和蓝宝石都好，而且易于加工，价格便宜，是功率型芯片的首选材料。

　　2.4 倒装芯片技术

　　AlGaInN 基LED 外延片一般是生长在蓝宝石衬底上，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 电导率低，为满足电流扩展的要求，需要在P 区表面形成一层Ni-Au 组成的金属电极层。而且为了获得好的电流扩展，Ni-Au 金属电极层不能太薄。但器件的发光效率就会因此受到很大影响，所以通常要同时兼顾电流扩展与出光效率两个因素。

　　采用GaN 基LED 倒装芯片技术可以解决这个问题[14]。该技术可增大输出功率、降低热阻，提高器件可靠性。它从蓝宝石衬底面出光，解决了电极遮光和蓝宝石散热不良的问题，在P 电极上做上厚层的银反射器，然后通过电极凸点与基底上的凸点键合，基座用散热良好的Si 材料制作，并可在基座上制作防静电电路。2001 年美国Lumileds 公司[15]倒装焊技术在大功率AlInGaN 基芯片上的应用，避免了电极焊点和引线对出光效率的影响，改善了电流扩散性和散热性，背反射膜将传向下方的光反射回出光的蓝宝石一方，进一步提升出光效率，外量子效率达到21%，功率转换效率达到20%(200 mA，435 nm)，最大功率达到400 mW(驱动电流1 A，435 nm，芯片尺寸1 mm伊1 mm)，其总体发光效率比正装增加1.6 倍。

　　北京工业大学邹德恕等[16]也报道光从GaN/InGaN 量子阱发出后，由于临界角很小，大部分光只能在器件的内部反射，被吸收掉，不能从GaN 表面射出。如果采用倒装技术在GaN 表面P 电极欧姆层上制作金属铝反光镜，使光从蓝宝石表面射出，由于它的内反射临界角比GaN 的大，所以光线容易射出，出光效率提高，可以达到正面出光效率的2 倍左右。无论从节省工艺成本还是提高系统性能的角度，倒装芯片技术都将大有前途。

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