LED作为新一代半导体光源，相较于传统光源，具有节能环保、长寿命、快响应、色彩丰富等特点。尤其是最近十余年，LED光源技术取得了突飞猛进的进展，在众多领域都得到了广泛应用。因此，进一步提升LED光源的性能对于LED产业会起到关键作用。

1 LED的基本结构及原理

1.1 异质结原理及制作方法

发光二极管（LED），其核心结构为由p型半导体层，有源层（发光层）及n型半导体层堆叠形成的异质结。其发光原理是：在电场的作用下，空穴（带正电）及电子（带负电）分别从p型和n型半导体层注入有源层，并在有源层发生跃迁复合同时释放出光子，从而实现能量从电能转换为光能[1]。

1.2 LED常见结构及特点

当获得异质结后，具体的依据LED芯片各个组成结构的排布及堆叠方式，LED芯片主要分为三大类：正装（又称为水平）结构，倒装结构，及垂直结构。

1.2.1 正装（水平）结构LED

正装（水平）结构LED特点是排列方式与外延结构相同，且电极位于水平同侧，其结构示意图如图1a所示。这种LED芯片的优点是结构简单、工艺成熟、成本低廉、大发光角等[2]，因此广泛应用于通用照明领域。这种结构的缺点是：1.散热差；2.电流易发生局部聚集现象。基于以上特点，正装结构LED在需要功率密度较大的场合则无法使用[3]。

1.2.2 倒装结构LED

倒装结构LED芯片如图1b所示。在这种芯片结构中，光是由蓝宝石基板面取出，而镜面层则与电极层整合到一起。这种结构设计的好处在于：电极一般均为高导热性的金属材料，散热能力强；出光面不受电极遮挡，因此电极可以尽量放大，电流扩展较好[4]。

基于以上特点，倒装LED芯片可以克服正装芯片在大功率应用上的问题。但是倒装芯仍然存在如下不足之处：发光角较大，难以用于集束要求较强的场景；表面被蓝宝石基板覆盖，难以做二次图形化处理。

1.2.3 垂直结构LED

垂直结构LED芯片可以说是专门为大功率特种应用领域开发的LED产品，以GaN系LED芯片为例，主要包括图1c和d中所示的两种衍生型结构。其特点是:电极覆盖面大，扩散效果好；出光面无蓝宝石产生的二次光学现象，发光角度较小、光线向轴向集中；可以在出光面上进行粗化处理提高取光效率；基板可以采用高导热导电的材质，适应大功率应用的需求。

基于以上特点目前垂直结构已经被广泛应用于射灯、汽车灯、景观灯、信号指示灯等应用场景。

图1 不同结构LED主体结构示意图：a)正装结构， b)倒装结构， c)垂直结构

2 实验内容

本文中所采用的异质结外延为在MOCVD设备中，以600～700um厚度的蓝宝石为基板，依次生长约4um的缓冲层GaN/1.5um的n型GaN/0.5um的有源层/0.05um的p型GaN的外延结构。然后在外延结构上依次进行如下主要工序：第一步，与p型氮化镓接触的镜面结构工艺，获得镜面层及正极电流扩展层；第二步，n性氮化镓接触的电极工艺，获得负极电流扩展层；第三步，键合及剥离工艺，将器件从蓝宝石基板转移到Si基板上；第四步，表面粗化及外接正极工艺。本文中的实验内容重点在于第一步中与p型氮化镓存在接触的镜面层分别采用了纯Ag镜面及SiO2-Ag复合镜面结构。

3 实验结果及讨论

3.1 镜面反射率

从图2a中可以看出，从近紫外到近红外波段，复合镜面的反射率都略高于纯Ag镜面。反射率提高的具体原因来源于两部分：GaN与SiO2的界面发生光反射；在GaN与SiO2的界面发生了光干涉。[5]

图2：a)纯Ag镜面和SiO2-Ag复合镜面结构的反射率曲线图，b) 蓝光及紫外LED产品搭配不同的镜面的亮度比对。

3.2 不同镜面结构对于LED亮度的影响

从图2b中可以看出对于蓝光波段的LED产品，SiO2-Ag复合镜面相较纯Ag镜面有大约1.8%的亮度提升（从1020 mW提升到1038 mW）；对于近紫外波段的LED产品，SiO2-Ag复合镜面相较纯Ag镜面有大约3.7%的亮度提升（从600 mW提升到622 mW）。

结合图2a中可以看出，当波长从蓝光变化到近紫外波段时，复合镜面的反射率相对于纯Ag镜面的提升值逐渐升高。例如在450 nm时，复合镜面的反射率为96.46%，纯Ag镜面反射率为95.32%，相对提升幅度为1.19%；在390nm时，复合镜面的反射率为92.74%，纯Ag镜面反射率为91.22%，相对提升幅度为1.67%。因此，在近紫外波段复合镜面会有更高的提亮效果。

4 结语