二次光学设计必须匹配，达到最佳路面光斑和最佳发光效率。通过计算机光学模拟软件来进行设计开发是常用的手段。中国LED封装企业在积极迎头赶上，与国外技术的差距在缩小。
5、提高LED发光效率的技术
1）透明衬底技术
InGaAlP LED通常是在GaAs衬底上外延生长InGaAlP发光区GaP窗口区制备而成。与InGaAlP相比，GaAs材料具有小得多的禁带宽度，因此，当短波长的光从发光区与窗口表面射入GaAs衬底时，将被悉数吸收，成为器件出光效率不高的主要原因。在衬底与限制层之间生长一个布喇格反射区，能将垂直射向衬底的光反射回发光区或窗口，部分改善了器件的出光特性。一个更为有效的方法是先去除GaAs衬底，代之于全透明的GaP晶体。由于芯片内除去了衬底吸收区，使量子效率从4％提升到了25-30％。为进一步减小电极区的吸收，有人将这种透明衬底型的InGaAlP器件制作成截角倒锥体的外形，使量子效率有了更大的提高。
2）金属膜反射技术
透明衬底制程首先起源于美国的HP、Lumileds等公司，金属膜反射法主要有日本、台湾厂商进行了大量的研究与发展。这种制程不但回避了透明衬底专利，而且，更利于规模生产。其效果可以说与透明衬底法具有异曲同工之妙。该制程通常谓之MB制程，首先去除GaAs衬底，然后在其表面与Si基底表面同时蒸镀Al质金属膜，然后在一定的温度与压力下熔接在一起。如此，从发光层照射到基板的光线被Al质金属膜层反射至芯片表面，从而使器件的发光效率提高2.5倍以上。
3）表面微结构技术
表面微结构制程是提高器件出光效率的又一个有效技术，该技术的基本要点是在芯片表面刻蚀大量尺寸为光波长量级的小结构，每个结构呈截角四面体状，如此不但扩展了出光面积，而且改变了光在芯片表面处的折射方向，从而使透光效率明显提高。测量指出，对于窗口层厚度为20µm的器件，出光效率可增长30％。当窗口层厚度减至10µm时，出光效率将有60％的改进。对于585-625nm波长的LED器件，制作纹理结构后，发光效率可达30lm/w，其值已接近透明衬底器件的水平。
4）倒装芯片技术
通过MOCVD技术在兰宝石衬底上生长GaN基LED结构层，由P/N结发光区发出的光透过上面的P型区射出。由于P型GaN传导性能不佳，为获得良好的电流扩展，需要通过蒸镀技术在P区表面形成一层Ni-Au组成的金属电极层。P区引线通过该层金属薄膜引出。为获得好的电流扩展，Ni-Au金属电极层就不能太薄。为此，器件的发光效率就会受到很大影响，通常要同时兼顾电流扩展与出光效率二个因素。但无论在什么情况下，金属薄膜的存在，总会使透光性能变差。此外，引线焊点的存在也使器件的出光效率受到影响。采用GaN LED倒装芯片的结构可以从根本上消除上面的问题。
5）芯片键合技术
光电子器件对所需要的材料在性能上有一定的要求，通常都需要有大的带宽差和在材料的折射指数上要有很大的变化。不幸的是，一般没有天然的这种材料。用同质外延生长
技术一般都不能形成所需要的带宽差和折射指数差，而用通常的异质外延技术，如在硅片上外延GaAs和InP等，不仅成本较高，而且结合接口的位错密度也非常高，很难形成高质量的光电子集成器件。由于低温键合技术可以大大减少不同材料之间的热失配问题，减少应力和位错，因此能形成高质量的器件。随着对键合机理的逐渐认识和键合制程技术的逐渐成熟，多种不同材料的芯片之间已经能够实现互相键合，从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层再进行键合就可以形成一种新的结构。由于硅化物的电导率很高，因此可以代替双极型器件中的隐埋层，从而减小RC常数。
6）激光剥离技术（LLO）
激光剥离技术（LLO）是利用激光能量分解GaN/蓝宝石接口处的GaN缓冲层，从而实现LED外延片从蓝宝石衬底分离。技术优点是外延片转移到高热导率的热沉上，能够改善大尺寸芯片中电流扩展。n面为出光面：发光面积增大，电极挡光小，便于制备微结构，并且减少刻蚀、磨片、划片。更重要的是蓝宝石衬底可以重复运用。
第六章 白光LED的基础知识
1、白光LED的概念
随着ZnSe和GaN等宽带隙材料及其发光器件技术的发展，于20世纪90年代中期推出了一种白光LED。由于白光LED具有低驱动电压、快速开关响应时间、无频闪、高发光效率、小体积、低能耗、长寿命、强抗震性等特点，有望取代传统的白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯，实现环保和绿色照明光源，在军民用领域都有巨大的应用潜力和发展前景，因此白光LED被称为爱迪生发明白炽灯之后的又一次灯具技术革命，世界各国正不惜重金支持这种极具社会和经济效益的白光LED的发展。
一般人所指的白光是指白天所看到的太阳光，学理上分析后发现其蕴含自400~700nm范围的连续光谱，以目视的颜色而言，可分解成红橙黄绿蓝青紫等七色。根据LED的发光原理，一般LED只能发出单色光，为了让它发白光，工艺上必须混合两种以上互补色的光而成，1998年白光LED研发成功，经过10年多的发展，常用来形成白光LED的组合方式有三种：
1）蓝光LED与黄色荧光粉之组合 2）红/绿/蓝三色LED之组合 3）UV LED与多色荧光粉之组合
目前，掌握白光LED关键技术的厂家包括日亚化工、Cree、Lumileds、欧思朗等。
2、白光LED发光原理
1）单芯片
（1）InGaN(蓝)/YAG荧光粉
这是一种目前较为成熟的产品，其中 1W的和5W的Lumileds已有批量产品。这些产品采用芯片倒装结构，提高发光效率和散热效果。荧光粉涂覆工艺的改进，可将色均匀性提高10倍。实验证明，电流和温度的增加使LED光谱有些蓝移和红移，但对荧光光谱影响并不大。寿命实验结果也较好，Φ5的白光LED在工作1.2万小时后，光输出下降80%，而这种功率LED在工作1.2万小时后，仅下降10%，估计工作5万小时后下降30%。这种称为Luxeon
的功率LED最高效率达到44.3lm/w，最高光通量为187lm，产业化产品可达120lm，Ra为75-80。
（2）InGaN(蓝)/红荧光粉+绿荧光粉
Lumileds公司采用460nmLED配以SrGa2S4：Eu2+(绿色)和SrS：Eu2+(红色)荧光粉，色温可达到3000K-6000K的较好结果，Ra达到82-87，较前述产品有所提高。
（3）InGaN(紫外)/(红+绿+蓝)荧光粉
Cree、日亚、丰田等公司均在大力研制紫外LED。Cree公司已生产出50mW、385nm—405nm的紫外LED；丰田已生产此类白光LED，其Ra大于等于90，但发光效率还不够理想；日亚于最近制得365nm、1mm2、4.6V、500mA的高功率紫外LED，如制成白色LED，会有较好效果。
ZnSe和OLED白光器件也有进展，但离产业化生产尚远。 2）双芯片
可由蓝 LED+黄LED、蓝LED+黄绿LED以及蓝绿LED+黄LED制成，此种器件成本比较便宜，但由于是两种颜色LED形成的白光，显色性较差，只能在显色性要求不高的场合使用。
3）三芯片 (蓝色+绿色+红色)LED
Philips公司用470nm、540nm和610nm的LED芯片制成Ra大于80的器件，色温可达3500K。如用470nm、525nm和635nm的LED芯片，则缺少黄色调，Ra只能达到20或30。 采用波长补偿和光通量反馈方法可使色移动降到可接受程度。美国 TIR公司采用
Luxeon RGB器件制成用于景观照明的系统产品，用Lumileds制成液晶电视屏幕(22英寸)，产品的性能都不错。
4）四芯片 (蓝色+绿色+红色+黄色)LED
采用 465nm、535nm、590nm和625nm LED芯片可制成Ra大于90的白光LED。 此外， Norlux公司用90个三色芯片(R、G、B)制成10W的白光LED，每个器件光通量达130lm，色温为5500K。
5）单芯片和多芯片的比较
方式 RGB三色混光 BCW蓝光+琥珀色黄光 实务 不易 可行 优劣比较 1.材料来源简单 1.使用三颗LED芯片，成本高 2.三色混光不易使光色相同，一致性差 1.一致性高 多芯片型
2.可用于高电量产品(ex:汽车) 1.专利权在美商Gentex手中 2.由于电压高，有过热问题 1.材料来源简单，一致性高 蓝光+YAG萤光粉 可行 2.可用于低电量产品(ex:手机) 3.低电压，没有过热问题 1.专利权在Nichia手中 单芯片型 UV+RGB萤光粉 不易 1.亮度较亮，一致性佳，没有过热问题 1.芯片、萤光粉的来源都不易，目前量产都有问题 1.制作不易，且属活泼性元素，信赖度待提升 ZnSe
难 3、白光LED技术指标
照明用白光LED不同于传统的LED产品，在技术性能指标上有一些特殊要求：光通量 一个Φ5 LED的光通量仅为1lm左右，而用作照明的白光功率LED希望达到1Klm。当然，光通量为0.1Klm和0.01Klm的功率LED也能达到要求较低的照明需求。由于15W白炽灯效率较低，仅8lm/w，所以一个15W白炽灯的光通量，与25lm/w的白光功率LED5W器件相当。 发光效率 目前产业化产品已从 15lm/w提高到100lm/w，研究水平为125lm/w，最高水平已达130lm/w。
色温 在 2500K-10000K之间，最好是2500K-5000K之间。 显色指数 Ra 最好是100。目前可以过到85
稳定性 波长和光通量均要求保持稳定，但其稳定性程度依照明场合的需求而定。 寿命 5万小时至10万小时。
4、白光LED技术难点
1）InGaN(紫外)/(红+绿+蓝)荧光粉
有理论计算结果显示，LED的外量子效率达到和超过50%才能成为日后通用照明的主流。因此，如何提高LED的外部量子效率成为LED研究的一个主要方向。而材料的位错密度是造成GaN基LED量子效率低的其中一个主要原因，尤其是对于发短波长的LED。高的位错密度主要是由蓝宝石衬底和GaN外延层之间的晶格失配和热膨胀系数失配造成的。除此之外，有源区的质量好坏对LED的量子效率起着至关重要的作用，主要包括阱层和势垒层的厚度，In组分，应力，界面和每层材料生长的质量高低。