摘要：LED的电学性能对LED器件的效率、可靠性等有着至关重要的影响。一方面，希望降低LED的正向电压，以降低电源效率；另一方面，由于电流是以焊盘一个点注入，扩散至有源层一个面，如果电流不能均匀地注入有源层，将降低电流注入效率。在芯片制作的过程中，最基本的目的就是制作电极，为LED正常工作提供电学连接，并在这一过程中，通过电极材料和电极结构的设计降低LED的驱动电压，实现电流的均匀注入，同时设计光学微结构以提高取光效率。
关键词：LED芯片取光结构研究现状；发展趋势；
LED芯片的取光结构是提高芯片出光效率的有效途径，取光结构是指利用半导体或MEMS制造工艺，在LED芯片表面或内部各界面加工出能改变光线传播方向的微结构，使原本不能逸出芯片表面的有源层发出的光子逸出芯片表面，从而提高芯片出光效率
1 LED的基本原理
LED是一种利用半导体制造技术加工的电致发光器件，它利用电子空穴的带间跃迁辐射复合来发光。其核心是p-n结，由p型半导体和n型半导体组成，具有一般p-n结正向导通和反向截止的电学性能。电子和空穴分别在n型和p型半导体中产生，由于浓度梯度分别向p型和n型半导体扩散。并在两者接触的区域形成一个具有内建电场VD的空间电荷区，电子和空穴在内建电场作用下发生漂移运动，其运动方向与各自的扩散方向相反，于是内建电场阻碍电子和空穴继续扩散。LED阱层和垒层的厚度结构对载流子在LED中的传输具有重要的影响，可能会导致空穴注入不足，载流子泄露严重，从而导致LED效率较低和效率下降现象，为抑制载流子泄露，我们提出提出一种渐变垒层和渐变阱层结合的有源层结构，它能有效提高载流子的注入，使得载流子在阱中分布更为均匀，从而减少泄漏电流。
2 LED芯片取光结构研究现状
（1）LED芯片模型结构与参数。为进行LED取光效率的Monte Carlo光线追迹，我们首先建立几何模型，确定其材料的基本属性，主要是材料的吸收系数和折射率，以及边界条件。一个传统正装芯片的横截面示意图。该芯片是在蓝宝石衬底上外延生长未掺杂的缓冲层，有源层，电子阻挡层后，在芯片制作过程中沉积ITO透明导电层，并通过刻蚀的方法露出部分露出的上分别沉积金属制作电极。为避免光在蓝宝石底部被键合层金属吸收，通常蓝宝石减薄后，裂片前在衬底底部沉积一层反射层，从而将向下传输的光子反射。LED芯片发光中心波长为460nm，其半高全宽波长一般为20nm，在模拟过程中，假设其为460nm单波长的光。并将LED芯片中的多量子阱有源层简化为一层单一的结构，其等效折射率和吸收系数将在下面具体介绍。从有源层发出的光是各项同性，而且是随机的。材料的折射率主要是由材料的晶体结构所决定，但是由于外延过程中的应变应力的存在，以及可能的缺陷等都会影响外延质量，从而影响材料的物理性质。介质材料存在色散现象材料的折射率会随着入射光波的波长变化而变化。
（2）蒙特卡洛光线LED取光效率。如果想要得到LED取光效率的数值，基于取光效率的定义，就必须知道从有源层中发射的总光子数目，而这是一个不可直接测量的数值。Shim提出一种方法：分别测量低温（约几十K）和常温下的LED的光致发光强度，由于在低温下非辐射复合被冻结，而且光致发光与电流注入效率无关，于是常温下的光致发光强度积分与低温下的光致发光强度积分之比可以认为是LED器件的内量子效率。
其中光线追迹方法是一种被广泛应用于LED取光效率分析的数值模拟技术，它基于几何光学的基本原理，能够对微米量级的图形尺寸进行模拟，但是由于这种方法无法反映干涉等现象，因此对于纳米级的图形，其几何结构接近于光波长时，我们则需要采用基于电磁场理论的方法，如有限时域差分法。 蒙特卡洛光线追迹方法是以概率统计为基础的一类随机方法，它基于几何光学的基本定律：光的直线传播定律，光的独立传播定律，以及反射定律和折射定律。光线以随机的方式从任意一点以任意角度出射，从统计角度来看，这些光线均匀的分布于某个面或是某个体内，光线起始点和角度基于概率方程。每条光线携带的能量由光源特性所决定。当光线入射到界面处，通过计算材料对光子在行进过程中的吸收，以及界面处的反射与折射，光线的方向与能量被重新设定，直到这些光线入射到光线接收面或是被吸收使得能量小于阈值能量而忽略。为计算LED的取光效率，在设置LED有源层发出的光子的能量与数目后，追踪每个光子的传播路径，统计逸出到空气中的光子总能量占有源层发出光子的总能量之比即可。
（3）反射镜设计。从光源发出的单色光入射到单层薄膜会发射干涉相消或是干涉相长的效果，干涉强度取决于光在薄膜中的光程差。对于多层材料叠加形成的膜系，光在其中传播的过程中会被反复折射反射，为了计算光经过膜系的透射系数和反射系数，可以直接采用恰当的边界条件可以计算光线经过膜系的反射光和透射光的强度，但是这将导致最终的方程过于复杂。为了方便计算，可以利用薄膜的特征矩阵表示光学薄膜系统的特性。在光波段，及足够接近于情况下，介质的光学导纳N 在数值上等于介质的折射率。单层薄膜的两个界面用一个等效界面来表示。子晶体的周期性结构使其具有能带结构，光子能带之间存在光子带隙，光子带隙是指一个频率范围，在这个频率范围里的电磁波不能在光子晶体里传播。因此选择没有吸收的介电材料制作的光子晶体可以反射从任何角度入射的光，反射率几乎为100%。但是DBR的反射谱强烈地依赖于入射光的角度，随着入射光角度的增加，导致反射率降低。另外DBR需要沉积许多对交替的两种材料，导致工艺周期长，而且成本增加。图形村底、表面粗化、芯片侧面倾角可分别将有源层发出的射向下方、上表面和侧面的、原本发生全反射的光线改变传播方向。引导到逸出锥射出芯片而被有效利用。
3 发展趋势
目前还集主要中在各单项取光结构及其制造。为获得更高的出光效率，集成多种取光结构的芯片将是未来的发展趋势之一。难点在如何对多种取光结构进行组合、设计和优化以及研究出相应的制造方法。多芯片集成封装模块取光结构的制造。单灯功率不足是限制LED用于普通照明的瓶颈之一，多芯片集成封装是获得大功率LED光源的有效途径之一，通过将多个小尺寸芯片串联或并联可以获得足够的光通输出。由于采用工艺成熟稳定的小芯片集成，成本较低，有利于LED光源模块在通用照明领域的推广应用。但多芯片集成封装同样引发多个芯片发出的光在封装模块内发生强烈的全反射而不能射出封装模块．最终被封装材料、基板和芯片本身吸收，导致整体发光效率大幅下降。因此．如何设计、制造多芯片集成封装模块取光结构是未来的研究方向。尽管取光结构能够大幅提高芯片的出光效率，但是只有通过高效低成本的制造方法才能促使取光结构在LED芯片中的大规模、低成本应用，从而推动LED照明技术的发展及其产业化。
LED光源的出现和发展．将引发照明领域的一场革命。然而，LED用于普通照明还面临发光效率低、单灯功率不足的瓶颈，虽然国内外在取光结构方面已有很多研究，但较分散且缺乏系统理论研究，还不能为取光结构具体应用提供完善的理论指导。
参考文献：
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