摘 要：對(duì)于高效照明用ＬＥＤ，發(fā)光效率是其最重要的參數(shù)。目前，ＬＥＤ的內(nèi)量子效率可達(dá)到９９％以上，主要瓶頸是外量子效率。為了解決這個(gè)制約發(fā)展的問(wèn)題，許多新穎的解決方案被提出，盡管大多數(shù)還僅存于試驗(yàn)階段或理論驗(yàn)證階段，但都為最終的產(chǎn)業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。文章著重介紹目前提高ＬＥＤ外量子效率的主要途徑，如倒裝焊（Ｆｌｉｐ?。茫瑁椋穑⒐庾泳w（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ?。茫颍螅簦幔欤?、激光剝離（Ｌｉｆｔ－ｏｆｆ）、芯片微結(jié)構(gòu)、分布布喇格反射層（ＤＢＲ）、改變ＬＥＤ幾何外形和表面粗化等技術(shù)。
關(guān)鍵字：ＬＥＤ光輸出；倒裝焊；光子晶體；激光剝離；芯片微結(jié)構(gòu)；分布布喇格反射層；透明襯底；表面粗化；
作為一種新型的發(fā)光體，ＬＥＤ自誕生以來(lái)就倍受關(guān)注。特別是進(jìn)入２１世紀(jì)后，世界面臨嚴(yán)重的能源、環(huán)境危機(jī)，在發(fā)達(dá)國(guó)家，照明用電占總用電量的２０％；我國(guó)的照明用電約占總用電量的１２％，至２０１０年，我國(guó)照明用電將高達(dá)３０００億度，相當(dāng)于三峽水電站完工后的年發(fā)電量的３倍以上。而目前我國(guó)的發(fā)電主要還是依靠火力，對(duì)于環(huán)境的污染非常嚴(yán)重，這就需要改進(jìn)現(xiàn)有的照明設(shè)備，提高其效率。而半導(dǎo)體照明作為新興的發(fā)光體，具有電光效率高、體積小、壽命長(zhǎng)、電壓低、節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是下一代照明的不二之選。下表列出了各種照明器件的效率，可以看出，ＬＥＤ與傳統(tǒng)的白熾燈、日光燈相比，在電光效率、壽命上占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，一旦在成本、光效上取得突破，將很快占領(lǐng)照明市場(chǎng)。因此國(guó)內(nèi)外都非常關(guān)注這一領(lǐng)域的發(fā)展，相關(guān)新產(chǎn)品、新技術(shù)層出不窮。
ＬＥＤ的光電轉(zhuǎn)換效率包括兩部分：內(nèi)量子效率和外量子效率。內(nèi)量子效率是指電子空穴對(duì)在ＬＥＤ結(jié)區(qū)復(fù)合產(chǎn)生光子的效率；外量子效率指將ＬＥＤ結(jié)區(qū)產(chǎn)生的光子引出了ＬＥＤ后的總效率。設(shè)ＬＥＤ的外量子效率為ｈｅｘ，可用下式表示：
ｈｅｘ＝ｈｉｎ·Ｃｅｘ
其中：ｈｉｎ是內(nèi)量子效率；Ｃｅｘ是逃逸率。ＬＥＤ 內(nèi)量子效率與外量子效率之間存在巨大的差距。一般來(lái)說(shuō)，高質(zhì)量ＬＥＤ的內(nèi)量子效率可以達(dá)到９９％以上，而它的外量子效率卻非常有限，這是因?yàn)椋茫澹浅５偷木壒?，而這主要是由ＬＥＤ結(jié)區(qū)的特點(diǎn)所決定的。ＬＥＤ的ＧａＡｓ襯底對(duì)光的吸收非常嚴(yán)重，另外它的折射率也很高，導(dǎo)致封裝時(shí)的光全反射角很小，影響了出光效率。不能出射的光在ＬＥＤ結(jié)區(qū)轉(zhuǎn)換為熱能，提高了結(jié)溫，使晶格震動(dòng)加劇，影響了內(nèi)部量子效率，也使ＬＥＤ的壽命大打折扣，所以將產(chǎn)生的光有效地引出ＬＥＤ是當(dāng)前ＬＥＤ界研究的主要方向。下面將對(duì)正在研究和已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的提高ＬＥＤ光引出效率的各種方法略作介紹。
１、提高ＬＥＤ光出射效率的技術(shù)
以目前的技術(shù)可以使ＩｎＧａＮ有源層在常溫普通注入電流條件下的內(nèi)量子效率達(dá)到９０％～９５％。當(dāng)溫度升高，內(nèi)量子效率會(huì)很快下降，因此要提高發(fā)光效率就必須控制結(jié)溫和提高出光效率。
１．１ 提高ＬＥＤ芯片出射效率的技術(shù)
1.1.1 襯底激光剝離技術(shù)（Lift-off）
因?yàn)椋蹋牛牡模牵幔粒蠡r底的折射率非常大，所以它所造成的內(nèi)部光吸收損失很大。這種方法是將ＬＥＤ的ＧａＡｓ襯底剝離，換成透明襯底，然后粘結(jié)在透明的ＧａＰ襯底上，使光從下底面出射，所以又被稱為透明襯底ＬＥＤ（ＴＳ－ＬＥＤ）法，透明襯底的制作如圖１所示。理論上講，這種方法可以使光的出射率提高１倍。
對(duì)于以藍(lán)寶石襯底為主的ＧａＡｓ系ＬＥＤ而言，其剝離技術(shù)（ＬＬＯ）是基于ＧａＮ的同質(zhì)外延發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)。ＧａＮ基半導(dǎo)體材料和器件發(fā)展的一個(gè)重大問(wèn)題是由于沒(méi)有合適的襯底而造成的外延層質(zhì)量問(wèn)題，解決這個(gè)問(wèn)題的一種可能途徑是利用對(duì)襯底透明的短脈沖激光照射襯底，融化緩沖層，從而將ＧａＮ外延層從寶石襯底上剝離下來(lái)，再用ＨＶＰＥ生長(zhǎng)技術(shù)制成ＧａＮ襯底，用以實(shí)現(xiàn)同質(zhì)外延。美國(guó)的惠普公司在上世紀(jì)末最先在ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ?。蹋牛纳蠈?shí)現(xiàn)；２００２年，日亞正式把它用于ＵＶＬＥＤ的工藝上，使其發(fā)光效率得到很大的提高；２００３年２月，德國(guó)ＯＳＲＡＭ公司用ＬＬＯ工藝將藍(lán)寶石去除，將ＬＥＤ的出光效率提升至７５％。1.1.2 利用光子晶體技術(shù)（Photonic Crystal）
光子晶體實(shí)際上就是一種將不同介電常數(shù)的介質(zhì)在空間中按一定周期排列而形成的人造晶體，該排列周期為光波長(zhǎng)量級(jí)。光子晶體中介質(zhì)折射率的周期變化對(duì)光子的影響與半導(dǎo)體材料中周期性勢(shì)場(chǎng)對(duì)電子的影響相類似。在半導(dǎo)體材料中，由于周期勢(shì)場(chǎng)的作用，電子會(huì)形成能帶結(jié)構(gòu)，帶與帶之間有帶隙（如價(jià)帶與導(dǎo)帶），電子的能量如果落在帶隙中，就無(wú)法繼續(xù)傳播。在光子晶體中，由于介電常數(shù)在空間的周期性變化，也存在類似于半導(dǎo)體晶體那樣的周期性勢(shì)場(chǎng)。 當(dāng)介電常數(shù)的變化幅度較大且變化周期與光的波長(zhǎng)可相比擬時(shí)，介質(zhì)的布拉格散射也會(huì)產(chǎn)生帶隙，即光子帶隙。頻率落在禁帶中的光是被嚴(yán)禁傳播的。光子晶體也叫電磁晶體（ｅ
