半导体固态照明采用发光二极管(led,light emitting diode),不仅可以节约能源、减少污染、还具有体积小、寿命长、控制灵活方便等优点。目前,限制led性能提高的主要原因是光提效率不高,导致亮度不高,发热严重,严重影响了以led芯片为核心的半导体照明的普及。本文就led器件中光提取效率提高途径问题,介绍了技术研究与工业生产中通常采用的转移衬底结构、电流分布与电流扩展结构、芯片形状几何化结构、表面微结构等几种常见的光提取效率提高技术,分析了这些技术的理论原理和应用现状,并指出led作为绿色照明的新一代光源,尚存在巨大的开发潜力。
这些年来,随着半导体照明的不断深入发展,led以其高电光转换效率和绿色环保的优势受到越来越广泛的关注。半导体照明产品中的核心组成部分--led芯片,其研究与生产技术有了飞速的发展,芯片亮度和可靠性不断提高。在led芯片的研发和生产过程中,器件外量子效率的提高一直是核心内容,因此,光提取效率的提高显得至关重要。
led的光提取效率是指出射到器件外可供利用的光子与外延片的有源区由电子空穴复合所产生的光子的比例。在传统led器件中,由于衬底吸收、电极阻挡、出光面的全反射等因素的存在,光提取效率通常不到10%,绝大部分光子被限制在器件内部无法出射而转变成热,成为影响器件可靠性的不良因素,尤其在大功率led器件中。
为提高光提取效率,使得器件体内产生的光子更多地发射到体外,并改善器件内部热特性,经过多年的研究和实践,人们已经提出了多种光提取效率提高的方法。下面介绍几种较为常见且有效的光提取效率提高的方法。
倒装结构
为了减少衬底对光子的吸收,采用了转移衬底的倒装结构。对于GaAs基AlGaInP系红黄光led,倒装结构是基于芯片键合(Wafer Bonding)技术,将导电导热性能更好的衬底与外延片的P面键合,然后去除吸收光且导热性能较差的GaAs衬底,使光从器件的N面透射出来。一般情况下,在键合界面上都会制作全方位反射镜,使射向不透明衬底一侧的光子能反射到出光面提取出来,因此这种结构大大提高了器件的光提取效率。对于蓝宝石外延衬底生长的GaN基蓝、绿光led,在去除蓝宝石不导电衬底的同时,采用了导热、导电性能更好的衬底材料(例如硅、铜等)使器件的散热性能更好,而且避免了双面电极器件中电流拥堵问题,而且大大节约了芯片的面
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