在科技高度發(fā)展的今天，電子產品的更新?lián)Q代越來越快，LED燈的技術也在不斷發(fā)展，為我們的城市裝飾得五顏六色。當前的市場上出現(xiàn)了很多ITO(氧化銦錫，Indium Tim Oxide)芯片，這種芯片的亮度比通用電極的芯片亮度要高20%-30%左右。ITO是一種透明的n型半導體導電薄膜，常溫下其帶隙約為3.5-4.3eV，載流子濃度在1019-1023cm3之間，因此具有良好的導電性(電阻率一般在1.10-3Ω·cm以下)和較高的可見光區(qū)透過率(在可見光波段的光透射高于80%)。

與其他透明導電薄膜相比，ITO具有良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。ITO對襯底具有良好的附著性和圖形加工也行，是目前理想的導電薄膜，并且在光電器件的透明電極領域得到了廣泛的應用。近幾年來，GaN基白光LED的照明產品逐漸進入實用階段;如果在GaN基LED中用ITO代替Ni/Au作為p型電極，那么同等條件下可使LED的出光效率提高20%-30%。

★ 倒裝法

傳統(tǒng)的藍寶石襯底的GaN芯片結構如圖A.1所示，電極剛好位于芯片的出光面。由于p-GaN層表面沉淀一層用于電流擴散的金屬層。這個電流擴散層由Ni和Au組成，會吸收部分光，從而降低出光效率。如果將芯片倒裝(如圖A.2所示)，那么電流擴散層(金屬反射層)就成為光的反射層。這樣光可通過藍寶石襯底發(fā)射出去，從而提高了出光效率。

★ 襯底剝離技術

襯底剝離技術首先由惠普公司在AlGaInP/GaAsled襯底上實現(xiàn)。因為GaAs襯底使得LED內部光的吸收損失非常大，通過剝離GaAschendi ,然后將其粘接在透明的GaP襯底上，可以提高近兩倍的發(fā)光效率。

GaN基LED的襯底一般為藍寶石材質，藍寶石為絕緣體，導熱性能較差，因此LED的電極都在上表面。又因為p型歐姆接觸電極的制備比較困難，所以需要使用p型透明電極，其加工工藝比較困難，必須同時保證低歐姆接觸電阻和較高的光透射率。若電極做得不好，透光率較低，沒有透射出去的光會由LED吸收從而產生熱量，這樣對LED的出光效率和內量子效率的提高都將造成難以克服的困難。

藍寶石襯底激光剝離技術(LLO)是基于GaN的同質外延層而發(fā)展的一項技術，是于上個世紀末提出的。這種剝離技術利用紫外激光照射襯底，繼而熔化緩沖層來實現(xiàn)襯底的剝離。該技術可以將LED的出光效率提高至75%。襯底剝離的示意圖如圖A.3所示。采用襯底剝離技術的工藝和現(xiàn)有工藝相比，需要增加兩道新的工藝過程，但是可以減少10道原有的工藝過程，請參見表A.1。減少工藝工程，就相當于減少了材料消耗、提高成品率，同時減少工時、節(jié)省人員、降低成本。另外，由于藍寶石襯底可以重復使用，同樣也降低了外延片的成本。

在使用的設備方面，剝離襯底工藝要增加一套激光剝離系統(tǒng)和一臺普通切割機，但是可以減少減薄機、拋光機、劃片機、裂片機、離子刻蝕機等設備。

因此，采用襯底剝離技術的工藝有以下幾個方面的優(yōu)勢：

•剝離絕緣的藍寶石襯底后，可把p型電極做到底面，襯底上表面的p型和n型兩個電極只剩下n型電極，因此可以增加出光面積，從而提高出光效率。

•剝離了導光性能不好的藍寶石(在100℃為25W/(m·K))，換成導電導熱性能更好的襯底，這樣可使熱量很快地傳導到熱沉上，從而提高了導熱性能。這非常適用于大功率器件。

•消除了藍寶石與GaN之間晶格的壓力失配，從而使光譜變窄。

•由于將襯底換成導電沉底，因此有利于消除靜電損傷。

•由于散熱性能改善，因此抗靜電能力提高，有利于器件的封裝。

★ 改變芯片的幾何外形

通過改變芯片的幾何外形，可以減少光在芯片中的傳播路程，從而降低光的吸收損耗。LED一般都是立方體的結構，這樣的結構使得光在LED內部會傳播很長的路徑，造成有源層和自由載流子對光的吸收加劇，如圖A.4所示。將LED晶片切去四個方向的下角(斜面與垂直方向的夾角為35°)，從而形成倒金字塔形。

LED的這種幾何外形可使內部反射的光從側壁的內表面再次傳播到上表面，從而以小于臨界角的角度出射;同時使那些傳播到上表面且大于臨界角的光重新從側面出射。這兩種過程能同時減少光在LED內部傳播的路程。另外，還可以將正方形的LED芯片改為圓形。根據北京大學隋文輝等人的研究，對于圓盤型光學微腔可以證實：圓形的LED存在四音壁模式和圓盤的徑向模式，若將倒金字塔形的LED結構改為倒圓錐體并加上微細結構的設計，確實可以明顯加強LED出射的光強。

★ 表面粗化技術

為了抑制GaAs與空氣折射率相差過大而造成的全反射光較多的問題，可采用把p-GaN表面粗化的方法，如圖A.5(a)所示。光線入射時大于全反射角的光線在表面平整時不會出射，但是如果在芯片內部遇到雜質，就會產生散射,結果造成光線出射，如圖A.5(b)所示。光線在芯片內的光程過長必定會衰減劇烈，粗化表面(即將表面打毛)后可使部分全反射光線以散射光的形式出射，從而增加了出光機會、提高了出光效率。

也可以直接將LED上表面打毛，如圖A.5(c)所示，但是這種做法對有源層及透明電極會造成一定的損傷，并且實現(xiàn)起來也較為困難，因此多數(shù)是采用直接刻蝕成型，使上表面粗化，產生散射。

★ 分布式布拉格反射層(DBR)法

LED結區(qū)發(fā)出的光是向上、下兩個表面出射的，而封裝好的LED是“單向”出光的，因此有必要將向下入射的光反射或直接出射。直接出射的方法即為透明襯底法，但是這種方法的成本較高、工藝復雜。

布拉格反射層是兩種折射率不同的材料周期交替生長的層狀結構，它位于有源層和襯底之間。能夠將射向襯底的光利用布拉格反射原理反射回上表面。分布式布拉格反射層法(如圖A.6所示)可以直接利用MOCVD設備進行生長，其生產成本可以降低很多。隨著LED制作芯片技術的發(fā)展，今后還會出現(xiàn)更多的新技術可以提高LED芯片的出光效率。特別是在提高LED芯片的抗靜電能力、減少LED芯片的發(fā)熱和提高發(fā)光效率方面必將有更好的芯片出現(xiàn)。

總結下來，也就是以下這些方法：

透明襯底技術InGaAlP

LED通常是在GaAs襯底上外延生長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，當短波長的光從發(fā)光區(qū)與窗口表面射入GaAs襯底時，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一個布喇格反射區(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。由于芯片內除去了襯底吸收區(qū)，使量子效率從4%提升到了25-30%。為進一步減小電極區(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。

金屬膜反射技術

透明襯底制程首先起源于美國的HP、Lumileds等公司，金屬膜反射法主要有日本、臺灣廠商進行了大量的研究與發(fā)展。這種制程不但回避了透明襯底專利，而且，更利于規(guī)模生產。其效果可以說與透明襯底法具有異曲同工之妙。該制程通常謂之MB制程，首先去除GaAs襯底，然后在其表面與Si基底表面同時蒸鍍Al質金屬膜，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。

表面微結構技術

表面微結構制程是提高器件出光效率的又一個有效技術，該技術的基本要點是在芯片表面刻蝕大量尺寸為光波長量級的小結構，每個結構呈截角四面體狀，如此不但擴展了出光面積，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。測量指出，對于窗口層厚度為20μm的器件，出光效率可增長30%。當窗口層厚度減至10μm時，出光效率將有60%的改進。對于585-625nm波長的LED器件，制作紋理結構后，發(fā)光效率可達30lm/w，其值已接近透明襯底器件的水平。

倒裝芯片技術

通過MOCVD技術在蘭寶石襯底上生長GaN基LED結構層，由P/N結發(fā)光區(qū)發(fā)出的光透過上面的P型區(qū)射出。由于P型GaN傳導性能不佳，為獲得良好的電流擴展，需要通過蒸鍍技術在P區(qū)表面形成一層Ni-Au組成的金屬電極層。P區(qū)引線通過該層金屬薄膜引出。為獲得好的電流擴展，Ni-Au金屬電極層就不能太薄。為此，器件的發(fā)光效率就會受到很大影響，通常要同時兼顧電流擴展與出光效率二個因素。但無論在什么情況下，金屬薄膜的存在，總會使透光性能變差。此外，引線焊點的存在也使器件的出光效率受到影響。采用GaN LED倒裝芯片的結構可以從根本上消除上面的問題。

芯片鍵合技術

光電子器件對所需要的材料在性能上有一定的要求，通常都需要有大的帶寬差和在材料的折射指數(shù)上要有很大的變化。不幸的是，一般沒有天然的這種材料。用同質外延生長技術一般都不能形成所需要的帶寬差和折射指數(shù)差，而用通常的異質外延技術，如在硅片上外延GaAs和InP等，不僅成本較高，而且結合接口的位錯密度也非常高，很難形成高質量的光電子集成器件。由于低溫鍵合技術可以大大減少不同材料之間的熱失配問題，減少應力和位錯，因此能形成高質量的器件。隨著對鍵合機理的逐漸認識和鍵合制程技術的逐漸成熟，多種不同材料的芯片之間已經能夠實現(xiàn)互相鍵合，從而可能形成一些特殊用途的材料和器件。如在硅片上形成硅化物層再進行鍵合就可以形成一種新的結構。由于硅化物的電導率很高，因此可以代替雙極型器件中的隱埋層，從而減小RC常數(shù)。

激光剝離技術(LLO)

激光剝離技術(LLO)是利用激光能量分解GaN/藍寶石接口處的GaN緩沖層，從而實現(xiàn)LED外延片從藍寶石襯底分離。技術優(yōu)點是外延片轉移到高熱導率的熱沉上，能夠改善大尺寸芯片中電流擴展。n面為出光面：發(fā)光面積增大，電極擋光小，便于制備微結構，并且減少刻蝕、磨片、劃片。更重要的是藍寶石襯底可以重復運用。雖然LED在生活中處處可見，但是LED也還有一些不足需要我們的設計人員擁有更加專業(yè)的知識儲備，這樣才能設計出更加符合生活所需的產品。