傳統的GaN基LED是利用化學氣相沉積(MOCVD)技術在560
？C左右的藍寶石基底上分別沉積摻雜Si的n型GaN材料和摻雜Mg的p型GaN材料
，兩種材料之間形成量子阱(MQW)。在p型GaN材料上再鍍上一層ITO膜(氧化銦錫)


，該金屬氧化物透明導電膜作為透明電極，其作用是增強電極出光亮度以及隔離芯片中發射的對人類有害的電子輻射
、紫外線及遠紅外線等。LED的基本結構如圖1所示。

清華大學的張賢鵬等人采用基於Cl2/Ar/BCl3氣體的感應耦合等離子體(ICP)刻蝕技術製作了p-GaN表麵具有直徑3μu03BCm
、周期6μu03BCm的微結構。該微結構將GaN基藍光LED芯片的光熒光效果提高了42.8%%uFF0C並且在LED器件注入電流為20mA的情況下，將芯片正麵出光效率提高了38%%uFF0C背麵出光效率提高了10.6%%u3002。

加州大學的Schnitzer等對LED芯片進行表麵微結構處理的做法是利用自然光刻法將LED芯片的出光表麵做一個粗糙化處理，使得LED芯片的出光表麵變得粗糙不均勻，粗糙化後的芯片結構如圖2所示。如圖3所示，當光波傳遞到不均勻表麵時，由於粗糙表麵的光散射，這樣，半導體內更多的光可以傳播到空氣中。粗糙化的LED芯片其出光效率可以達到約16.8%%uFF0C而一般的環氧樹脂封裝LED的光取出效率非常低，僅能達到4%%u5DE6右。粗糙化後的LED芯片結構在SEM下掃描結果如圖4所示。

該雙層微結構的頂視圖和截麵圖用SEM掃描圖如圖6所示，從頂視圖上可以看出許多圓球形的ITO納米球無規則的附著在ITO透明導電膜之上
，圖6SEM掃描得到的雙層微結構LED芯片表麵頂視圖和截麵圖形成第一層的微結構。從截麵圖上可以看出
，p型GaN基材的表麵也呈現不規則的凹凸不平整結構，形成第二層的微結構。

經雙層微結構加工之後的LED芯片出光效率較未加工的LED芯片提高了許多，如圖7所示，加工微結構後的芯片正麵輸出光效率比未加工的芯片提高約70%%uFF0C背麵出光效率也比未加工的芯片提高約71.5%%u3002正zheng麵mian出chu光guang效xiao率lv的de增zeng加jia是shi由you於yu粗cu糙cao的de表biao麵mian導dao致zhi出chu射she光guang的de散san射she效xiao應ying
，使shi得de有you更geng多duo的de光guang朝chao著zhe隨sui機ji方fang向xiang傳chuan播bo，有you更geng多duo的de光guang可ke以yi從cong上shang表biao麵mian出chu射she。而er芯xin片pian背bei麵mian的de出chu光guang效xiao率lv增zeng強qiang也ye是shi由you於yu粗cu糙cao上shang表biao麵mian對dui出chu射she光guang的de散san射she效xiao應ying，使shi得de由you上shang表biao麵mian反fan射she至zhi下xia表biao麵mian的de光guang也ye變bian得de雜za亂luan無wu規gui則ze
，以yi此ci增zeng強qiang了le下xia表biao麵mian的de出chu光guang效xiao率lv。

J.H.Kang等deng人ren通tong過guo對dui芯xin片pian進jin行xing雙shuang層ceng微wei結jie構gou的de加jia工gong



，可ke以yi大da幅fu度du提ti升sheng其qi光guang學xue性xing能neng
，能neng夠gou得de到dao比bi較jiao好hao的de外wai量liang子zi效xiao率lv。但dan是shi該gai技ji術shu也ye有you其qi缺que陷xian，由you於yu加jia工gong過guo程cheng中zhong的de沉chen積ji和he蝕shi刻ke都dou有you比bi較jiao大da的de隨sui機ji性xing。生sheng產chan的de重zhong複fu性xing不bu好hao
，並bing且qie由you於yu對duip型GaN半導體材料表麵的粗糙化，難免會破壞LED芯片中的p-GaN層，影響了芯片的電學性能，由於微結構的加工，芯片的方阻會有所提升。

光子晶體(PhotonicCrystal)即ji光guang子zi禁jin帶dai材cai料liao，是shi一yi類lei在zai光guang學xue尺chi度du上shang具ju有you周zhou期qi性xing介jie電dian結jie構gou的de人ren工gong設she計ji及ji製zhi造zao的de晶jing體ti。由you於yu晶jing粒li之zhi間jian存cun在zai的de周zhou期qi性xing，光guang子zi晶jing體ti間jian會hui出chu現xian類lei似si於yu半ban導dao體ti禁jin帶dai結jie構gou的de光guang子zi帶dai隙xi(Photonicbandgap)。當電磁波在光子帶隙中傳播時
，由於存在布拉格散射效應，故光子晶體具有調製相應波長電磁波的能力。1997年，S.H.Fan等人首次研究了光子晶體對LED自發輻射能量及空間分布的影響。光子晶體結構示意圖如圖8。

 

光子晶體具有三種特性：能夠利用光子帶隙遮蔽光；具有異向性，通過光子晶體的光會無規則的散射；光子晶體曲線變化非常快
，同波長有關。光子晶體可分為三類：一維、二維、三維結構。一維的光子晶體隻能在很小的角度範圍內發出衍射光，不能衍射平麵任意角度的入射光

；由you於yu技ji術shu限xian製zhi，製zhi備bei符fu合he規gui範fan的de三san維wei結jie構gou光guang子zi晶jing體ti目mu前qian還hai比bi較jiao困kun難nan。而er二er維wei光guang子zi晶jing體ti可ke以yi衍yan射she較jiao大da角jiao度du上shang的de入ru射she光guang
，因yin此ci目mu前qian主zhu要yao用yong二er維wei的de光guang子zi晶jing體ti來lai提ti高gaoLED的出光效率。影響其出光效率的主要因素有光子晶體結構、晶粒高度
、晶格常數等。

利用光子晶體結構提高LED出光效率主要有兩種原理]。第一是利用了光子晶體的禁帶效應原理

，禁帶效應原理主要表現在：頻率落在禁帶範圍內的光子被禁止傳播，如果LED芯片上集成了光子晶體結構
，當LEDzhongdaoguangmodepinlvluozaiguangzijingtidejindaiyineishi
，guangbojiangbeiouhechengzaiziyoukongjianzhongdefushemoshi

，zaizhezhongqingkuangxia
，keyidafuzengjiaguangdetiquxiaoying。dierzhongshiliyongguangzijingtideguangzhayanshexiaoying。guangzijingtigouchengleyizhongleiguangzhadejiegou，dangguangshujinrup型GaN的表層的出射光和周期與光波長相當的光柵結構發生作用時，光波就會被調製
，一些本來難以出射的光束被耦合成出射光，如圖9所示，由於光柵衍射效應，原本因全反射被限製在p型GaN半導體材料中的光束可以出射到空間中

，則可以提高LED芯片的出光效率和控製光的空間分布。其中

，Chia-HsinChao等人研製的定向光提取光子晶體氮化镓薄膜LED輸出功率較無光子晶體的氮化镓薄膜LED提高了多達77%%uFF0C並且通過設計改善光子晶體的排布模式和晶格方向可以使LED的出光限製在較小的範圍之內。
 

 

目前主要的製造光子晶體結構的技術有納米壓印光刻(NIL)、電子束光刻(EBL)、激光全息光刻法(LHL)
，通過光子晶體結構的設計
，減少了光在LED芯片內的傳播和消耗，實現了LED外量子效率的提高。光子晶體LED的發光效率最多可以提高140%%u3002。

在LED中引入光柵微納光學結構的方法可以有效地增強LED芯片的出光效率。其中，利用單光柵結構的LED的(de)光(guang)提(ti)取(qu)效(xiao)率(lv)已(yi)有(you)大(da)幅(fu)提(ti)高(gao)，但(dan)由(you)於(yu)一(yi)維(wei)光(guang)柵(zha)結(jie)構(gou)隻(zhi)能(neng)衍(yan)射(she)單(dan)個(ge)方(fang)向(xiang)上(shang)的(de)光(guang)，沿(yan)著(zhe)光(guang)柵(zha)方(fang)向(xiang)傳(chuan)播(bo)的(de)光(guang)仍(reng)然(ran)被(bei)全(quan)反(fan)射(she)效(xiao)應(ying)限(xian)製(zhi)，出(chu)光(guang)效(xiao)率(lv)仍(reng)然(ran)受(shou)到(dao)較(jiao)大(da)限(xian)製(zhi)。

清華大學實驗室設計了一種GaN基的雙光柵微納結構

，該結構如圖10(a)所示。其中第一個光柵G1加工在上表麵的ITO層上
，第二個光柵G2刻蝕在GaN層的下表麵

，兩個光柵的刻線方向相互垂直
，這樣那些在G1處全反射的光線經G2的光柵衍射後，使其入射角小於出射臨界角，再經過G1輻射出去。其原理如圖10(b)所示。因此，雙光柵結構可以有效的提取因全反射而受限製的出射光。雙光柵結構LED可以提取出傳統LED中大部分因全反射而無法出射的受限光
，根據研究者的軟件評價結果可以表明
，這種LED的理論光提取效率可以達到48.5%
，較傳統LED高了約6.3倍。
 

 

結語：發光二極管的使用在照明光源的市場上應用廣泛。節約能源、降低功耗的方法就是提高LED發光效率。將LED芯片表麵的微結構進行加工
，能夠有效提高LED出光效率。但是，加工過程中對半導體材料的電學特性的影響以及微納結構加工的重複性不好，能夠嚴重影響LED芯片的出光效率。由此可見，整合微結構加工和提高出光效率的相關技術，是LED照明市場的必然趨勢。

相關閱讀：

詳解：大功率LED芯片的辨別方法
基於MEMS的LED芯片封裝光學特性分析
【有問有答】LED芯片使用中的五大技術