(1)透明襯底技術(shù)

　　InGaAlP LED通常是在GaAs襯底上外延生長(zhǎng)InGaAlP發(fā)光區(qū)GaP窗口區(qū)制備而成.與InGaAlP相比,GaAs材料具有小得多的禁帶寬度,因此,當(dāng)短波長(zhǎng)的光從發(fā)光區(qū)與窗口表面射入GaAs襯底時(shí),將被悉數(shù)吸收,成為器件出光效率不高的主要原因.在襯底與限制層之間生長(zhǎng)一個(gè)布喇格反射區(qū),能將垂直射向襯底的光反射回發(fā)光區(qū)或窗口,部分改善了器件的出光特性.一個(gè)更為有效的方法是先去除GaAs襯底,代之于全透明的GaP晶體.由于芯片內(nèi)除去了襯底吸收區(qū),使量子效率從4%提升到了25-30%.三年前,為進(jìn)一步減小電極區(qū)的吸收,有人將這種透明襯底型的InGaAlP器件制作成截角倒錐體的外形,使量子效率有了更大的提高,如圖9所示.顯然,這種截角倒錐體形狀的器件使透光面積增得更大,在紅光區(qū),這類器件的外量子效率可超過(guò)50%.

　　圖10指出了各類器件的光通量與正向電流的關(guān)系,明顯表明了三類器件光通量的差異.對(duì)于吸收襯底的器件,由于量子效率很低,極大部分的輸入能量變成了熱,在很小的正向電流下,器件的結(jié)溫就升得很高,使光通量迅速下降.透明襯底的LED器件,由于相當(dāng)一部分輸入電能變成了光能,相對(duì)地減少了升溫效應(yīng),使器件可在大得多的電流狀態(tài)下工作.

　　(2)金屬膜反射技術(shù)

　　如果說(shuō)透明襯底工藝首先起源于美國(guó)的HP、Lumileds等公司,那么金屬膜反射法主要被日本、臺(tái)灣等地的一些公司進(jìn)行了大量的研究與發(fā)展.這種工藝不但回避了透明襯底專利,而且,更利于規(guī)模生產(chǎn).其效果可以說(shuō)與透明襯底法具有異曲同工之妙.該工藝通常謂之MB工藝,其基本要點(diǎn)如圖11所示.首先去除GaAs襯底,然后在其表面與Si基底表面同時(shí)蒸鍍Al質(zhì)金屬膜,然后在一定的溫度與壓力下熔接在一起.如此,從發(fā)光層照射到基板的光線被Al質(zhì)金屬膜層反射至芯片表面,從而使器件的發(fā)光效率提高2.5倍以上.實(shí)驗(yàn)證明,MB型紅色LED,當(dāng)電流為400mA與800mA時(shí),光通量可分別達(dá)到37lm與74lm.該類器件已在日本三肯電氣、臺(tái)灣國(guó)聯(lián)、全新等公司進(jìn)入小批量生產(chǎn).與傳統(tǒng)器件相比,光效得到了大幅度提高.除MB結(jié)構(gòu)的器件外,臺(tái)灣國(guó)聯(lián)還開發(fā)了一種謂之GB型的高亮度InGaAlP LED的新一代器件.所謂GB是英文Giga Bright的縮寫.該工藝是采用一種新型的透明膠,將具有GaAs吸收襯底的LED外延片與一片藍(lán)寶石基板粘合在一起,隨后再將GaAs吸收襯底去除,并在外延層上制作電極,從而獲得了很高的發(fā)光效率.

　　(3)表面微結(jié)構(gòu)技術(shù)

　　表面微結(jié)構(gòu)工藝是提高器件出光效率的又一個(gè)有效技術(shù),該技術(shù)的基本要點(diǎn)是在芯片表面刻蝕大量尺寸為光波長(zhǎng)量級(jí)的小結(jié)構(gòu),每個(gè)結(jié)構(gòu)呈截角四面體狀,如此不但擴(kuò)展了出光面積,而且改變了光在芯片表面處的折射方向,從而使透光效率明顯提高.圖12指出了在具有紋理結(jié)構(gòu)LED芯片的N種出光模式,由于紋理邊緣的存在,使許多本來(lái)大于臨界角的光可通過(guò)邊緣部位的反射或折射透射出器件表面.顯然,表面處紋理結(jié)構(gòu)的存在,在出光機(jī)理上等同于大幅度增加了窗口層的厚度.窗口層的厚度越薄,紋理腐蝕得越深,則出光率的增加將越明顯.測(cè)量指出,對(duì)于窗口層厚度為20µm的器件,出光效率可增長(zhǎng)30%.當(dāng)窗口層厚度減至10µm時(shí),出光效率將有60%的改進(jìn).對(duì)于585-625nm波長(zhǎng)的LED器件,制作紋理結(jié)構(gòu)后,發(fā)光效率可達(dá)30lm/w,其值已接近透明襯底器件的水平.

　　(4)倒裝芯片技術(shù)

　　通常蘭綠光及白光LED的結(jié)構(gòu)如圖13所示.通過(guò)MOCVD技術(shù)在蘭寶石襯底上生長(zhǎng)GaN基LED結(jié)構(gòu)層,由P/N結(jié)發(fā)光區(qū)發(fā)出的光透過(guò)上面的P型區(qū)射出.由于P型GaN傳導(dǎo)性能不佳,為獲得良好的電流擴(kuò)展,需要通過(guò)蒸鍍技術(shù)在P區(qū)表面形成一層Ni-Au組成的金屬電極層.P區(qū)引線通過(guò)該層金屬薄膜引出.為獲得好的電流擴(kuò)展,Ni-Au金屬電極層就不能太薄.為此,器件的發(fā)光效率就會(huì)受到很大影響,通常要同時(shí)兼顧電流擴(kuò)展與出光效率二個(gè)因素.但無(wú)論在什么情況下,金屬薄膜的存在,總會(huì)使透光性能變差.此外,引線焊點(diǎn)的存在也使器件的出光效率受到影響.

　　采用GaN LED倒裝芯片的結(jié)構(gòu)可以從根本上消除上面的問(wèn)題,如圖14所示.由于芯片倒裝于Si基墊上,LED發(fā)出的光直接透過(guò)蘭寶石射出,不存在上述的Ni-Au金屬膜與引線電極,因此出射的光沒(méi)有損失,加上下面P-GaN層上蒸鍍有Ag反射膜,進(jìn)一步增強(qiáng)了出射光的強(qiáng)度.圖15指出了蘭綠光LED的量子效率隨峰值波長(zhǎng)的變化.實(shí)驗(yàn)指出,在450~530nm的峰值波長(zhǎng)區(qū)域,倒裝功率型LED器件的量子效率要比普通型器件高出1.6倍.