提高出光效率的途徑

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1、提高LED的出光效率方法研究摘要：本文介紹了提高LED的出光效率的幾種方法及其研究進(jìn)展方向，包括優(yōu)化芯片發(fā)光層結(jié)構(gòu)；提高光引出效率的芯片技術(shù)；光子晶體技術(shù)；電極和電流擴(kuò)展技術(shù)；光學(xué)薄膜技術(shù)；改進(jìn)光學(xué)封裝技術(shù)，采用二次光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)等。關(guān)鍵詞：發(fā)光效率芯片技術(shù)光子晶體光學(xué)薄膜光學(xué)設(shè)計(jì)LED是一種半導(dǎo)體PN結(jié)二極管，當(dāng)有一個(gè)正向電壓施加于PN結(jié)兩端時(shí)，載流子從低能態(tài)被激發(fā)到高能態(tài)并處于不穩(wěn)定狀態(tài)而返回到低能態(tài)復(fù)合時(shí)，根據(jù)能量守恒定理，多余的能量將以光子形式釋放。LED這種電致發(fā)光原理使其成為一種固體冷光源，而不是像白熾燈等通過使物

2、體升溫而發(fā)光的。LED光源是第四代光源，它的出現(xiàn)和發(fā)展將引發(fā)照明領(lǐng)域中的一次革命，具有劃時(shí)代的意義。隨著MOCVD外延生長(zhǎng)技術(shù)和多量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)展，人們?cè)诰_控制外延生長(zhǎng)、摻雜濃度和減少位錯(cuò)等方面都取得了突破，外延片的內(nèi)量子效率已有很大提高。像AlInGaP基LED，內(nèi)量子效率已接近極限，可達(dá)100%。由于LED的外量子效率取決于外延材料的內(nèi)量子效率和芯片的出光效率，提高LED發(fā)光效率的關(guān)鍵是提高芯片的外量子效率，這在很大程度上取決于芯片的出光效率。同時(shí)，LED的封裝結(jié)構(gòu)等也對(duì)出光效率有很大的影響。提高LED出光效率的技術(shù)途

3、徑大概有幾種：1.優(yōu)化芯片發(fā)光層結(jié)構(gòu)；2.提高光引出效率的芯片技術(shù)；3.光子晶體技術(shù)；4.電極和電流擴(kuò)展技術(shù)；5.光學(xué)薄膜技術(shù)；6.改進(jìn)光學(xué)封裝技術(shù)，采用二次光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)等。一、優(yōu)化芯片發(fā)光層結(jié)構(gòu)通過設(shè)計(jì)不同的發(fā)光層結(jié)構(gòu)，可以提高LED的光效。主要采用兩種發(fā)光層結(jié)構(gòu)：雙異質(zhì)結(jié)和量子阱結(jié)構(gòu)。雙異質(zhì)結(jié)的P區(qū)和N區(qū)有帶隙不同的半導(dǎo)體組分，兩個(gè)勢(shì)壘層對(duì)注入的載流子起限域作用，即通過第一個(gè)異質(zhì)結(jié)界面擴(kuò)散進(jìn)入活性層的載流子，會(huì)被第二個(gè)異質(zhì)結(jié)界面阻擋在活性層中，只是雙異質(zhì)結(jié)的活性層厚度遠(yuǎn)小于同質(zhì)結(jié)，從而有效地提高注入載流子濃度和復(fù)合效率。

4、量子阱結(jié)構(gòu)取決于活性層的厚度，不同的厚度活性層對(duì)載流子的限域和效率提高有不同作用。采用量子阱結(jié)構(gòu)的活性層可以更薄。二、提高光引出效率的芯片技術(shù)傳統(tǒng)LED用透明環(huán)氧樹脂醬LED芯片和導(dǎo)線架包封后的只能控制叫狹窄范圍內(nèi)的光線，因而會(huì)造成較大的光損失，使光的利用率收到限制。芯片和環(huán)氧樹脂，不透明襯底材料對(duì)光的吸收也會(huì)造成LED的光效降低。主要采用以下幾種技術(shù)和方法提高LED的光引出效率：1、在芯片與電極之間加入后窗口層，可以有效地?cái)U(kuò)大光引出角錐提高出光效率；2、雙反射DR和分布式布拉格反射DBR結(jié)構(gòu)提高LED發(fā)光效率的方法根本上上

5、可分為兩種，分別是增加芯片(chip)本身的發(fā)光量；另一種方法是有效利用芯片產(chǎn)生的光線，增加光線照射至預(yù)期方向的照射量。前者是設(shè)法提高芯片活性層的發(fā)光效率，以及改善芯片形狀增加外部取光效率，或是將芯片大型化利用高密度電流增加發(fā)光量；后者是利用光波控制技術(shù)，亦即利用封裝樹脂形成特殊的光學(xué)結(jié)構(gòu)，使芯片產(chǎn)生的光線照射至預(yù)期的方向。DBLED采用在環(huán)氧樹脂與空氣接口處形成全反射面，利用一個(gè)反射鏡使全反射面全反射的光線先前反射，是光線朝預(yù)訂方向射出，從而大大減小光損失。如下所示：DBRLED由交替的多層高折射率和低折射率的材料組成，每

6、層的光學(xué)厚度為發(fā)射波長(zhǎng)的1/4.周期越多，折射率差越大，DBR的反射率就越高，從而減少襯底吸收量，適用于難以實(shí)現(xiàn)透明襯底的材料，如以GaAs做襯底的AlGaAs和AlInGaP器件。DBR結(jié)構(gòu)直接利用MOCVD設(shè)備進(jìn)行生長(zhǎng)，無須再次進(jìn)行加工處理。其結(jié)構(gòu)如下圖所示：1、倒裝芯片技術(shù)早起LED芯片為正裝形式，由于藍(lán)寶石襯底是絕緣的，所以P型區(qū)電極和N型區(qū)電極只能被置于外延材料表面的同一側(cè)，導(dǎo)致一部分光被歐姆接觸電極和鍵合引線所吸收和遮擋，影響期間的發(fā)光效率。倒裝結(jié)構(gòu)可以減小光在LED內(nèi)部反射而造成的有源層及自由載流子對(duì)光的吸收。

7、光在內(nèi)部的反射次數(shù)越多，路徑越長(zhǎng)，造成的損失越大。通過改變LED的幾何形狀，可以縮短光在LED內(nèi)部反射的路程。這種技術(shù)于1999年被提出，通過在透明襯底LED基礎(chǔ)上的再次加工，將bonding后的LED晶片導(dǎo)致，切去四個(gè)方向的下角，，如下圖所示，斜面與垂直方向的夾角為35°。這種幾何外形可以使內(nèi)部反射的光從側(cè)壁的內(nèi)表面再次傳播到上表面，而以小魚臨界角的角度初涉，同時(shí)使上表面大于臨界角的光重新從側(cè)面射出。這兩種過程能同時(shí)減小光在內(nèi)部的光程。1、表面粗糙化紋理結(jié)構(gòu)表面粗糙化通過散射光的方向來減少反射，但同時(shí)不損傷材料的電學(xué)和光學(xué)

8、特性。表面粗糙化主要作用是增加透射率，將滿足全反射定律的光改變方向，繼而在另一表面被反射回來原表面時(shí)不被全反射而透過界面，起防反射功能。光子的反射路徑被封閉在紋理結(jié)構(gòu)之中，使有源層發(fā)出的光子能夠有效的被取出。紋理表面不影響光束角特性，且適用于比例放大的功率型大尺寸LED芯片。表面粗化與表面