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LED 生物医学电子学论文提高 LED 外量子效率摘要提高发光二极管的发光效率是当前的一个研究热点。简要介绍了从芯片技术角度提高发光二极管(LED) 外量子效率的几种途径, 生长分布布拉格反射层结构、制作透明衬底、衬底剥离技术、倒装芯片技术、表面粗化技术、异形芯片技术、采用光子晶体结构等。此外还介绍了发光材料、能带结构以及工艺对外量子效率的影响。关键词:发光二极管;外量子效率引言自从 l99 1年N ichi a公司 Nakamur a 等成功研制出掺Mg 的同质结 Ga N 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 1 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。 1 提高外量子效率 生长分布布拉格反射层(DBR) 结构 DBR(distributed Bragg ref-lector) 结构早在 20 世纪 80 年代由 等[7] 提出。它是两种折射率不同的材料周期交替生长的层状结构,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 hH 和 hL) 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, 是发射波长,和 qL 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, DB R 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 2 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[8] 。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 复合 DB R的 LED 器件, 其出光效率较常规 DBR 可以提高约 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 MOVCD 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。 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 50um 的透明层( 例如 AlGaAs) ,然后再移去 GaAs 衬底; 3) 采用粘合技术[7] , 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