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提高LED内量子与电光转换效率的原理分析

钜大LARGE  |  点击量:181次  |  2019年08月07日  

摘要
在LED的PN结上施加正向电压时,PN结会有电流经过,电子和空穴在PN结过渡层中复合会产生光子。然而并不是每一对电子和空穴都会产生光子,由于PN结作为杂质半导体... 关键字:LED PN结 杂质半导体 LED发光层 LED芯片。

在LED的PN结上施加正向电压时,PN结会有电流经过,电子和空穴在PN结过渡层中复合会产生光子。然而并不是每一对电子和空穴都会产生光子,由于PN结作为杂质半导体,存在着材料品质、位错因素以及工艺上的种种缺陷,会产生杂质电离、激发散射和晶格散射等问题,使电子从激发态跃迁到基态时与晶格原子或离子交换能量时发生无辐射跃迁,也就是不产生光子,这部分能量不转换成光能而转换成热能损耗在PN结内,于是就有一个复合载流子转换效率,以Nint符号表示。


Nint=(复合载流子产生的光子数/复合载流子总数)×100%


当然,很难去计算复合载流子总数和产生的光子总数。一般是通过测量LED输出的光功率来评价这一效率,这个效率Nint就称为内量子效率。


提高内量子效率要从LED的制造材料、PN结外延生长工艺以及LED发光层的出光方式上加以研究才可能提高LED的Nint,这方面经过科技界的不懈努力,已有显着提高,从早期的百分之几已提高到百分之几十,有了长足的进步,未来LED发展,还有提高Nint的很大空间。


假设PN结中每个复合载流子都能产生一个光子,是不是可以说,LED的电一光转换效率就达到100%? 回答是否定的。


从半导体理论可以知道,由于不同的材料和外延生长工艺的不同,所制成的LED的发光波长是不同的。假设这些不同发光波长的LED其内量子效率均达到100%,但由于一个电子N型层运动到PN结有源层和一个空穴从P型层运动到PN结有源层,产生复合载流子所需的能量E与不同波长的LED的能带位置相关都不一样。而不同波长的光子的能量E也是不同的,电能到光能的变换有必然的损耗,下面举例加以说明:


例如一个入D=630nm的GaInAlP四元橙色LED,其正向偏置为VF≈2.2V,于是意味着它的一个电子与一个空穴复合成一个载流子所需的电势能ER=2.2Ev,而一个入D=630nm的光子的势能为E=Hc/入D≈1240/630≈1.97eV,于是电能到光能的转换效率N(E-L)=1.97/2.2×100%≈90%,即有0.0.23eV的能量损失(EV为电子伏)。


如果对一个GaN的蓝光470nm的LED,则VF≈3.4V,于是EB≈3.4EeV,而EB≈1240/470≈2.64eV,于是Nb=2.64/3.4×100%≈78%,这是在假定Nint=100%时。若Nint=60%,则对于红色LED,N(E-L)=90%×60%=54%,而对于蓝色LED则有N(E-L)B=78%×60%=47s%。可见,这就是LED的光一电转换效率不是很高的原因。


上面已经了解到PN结有源层的电一光转换效率不是很高,有相当一部分电能没有转换成光能,而是转换成热能损耗在PN结内,成为PN结的发热源。业界正在通过材料、工艺等机理上的努力去提高这一效率。如果施加在LED上的电功率全部变成光子能量,那么要问:这些光子能否全部逸出到空气中看见?回答也是否定的。于是就有一个LED光子逸出率的问题存在。可以这样来表示LED中产生的光子逸出到空气中的比率。


Nout=(逸出到空气中的光子数/PN结产生的光子总数)×100%


以上公式可以为LED的内量子效率。为方便说明,我们假定LED的材料为GaAs,其材料的折射系数为N1=3.9,与芯片接触的界面是空气,它的光折射系数N0=1,由光传播理论的光线折射定律可以知道,两种不同界面的折射系数不相同时,其垂直于界面的光的反射函数可用下式来表示:


R(L)=[(N1-N0)/(N1+N0)]2×100%


对于GaAs与空气,则有,


R(L)=[(3.9-1)/(3.9+1)]2×100%=35.02


这就是说,有35.02%的光子将被反射回GaAs材料中,即反射回芯片内,不能逸出到空气中,仅有64.98%有可能逸出到空气中。然而,LED的发光若是一个点光源时,其边界全发射临界的半角Θc与界面两种材料的折射系数有关,并由以下公式确定:Θc=Arcsin(Ndn1)


对于GaAs和空气:Θc=Arcsin(1/3.9)=14.90°


边界全发射临界角为29.8°,超过这个角度不能发射到空气中,显然这对一个球面而言,这个角度仅8.27%的区域能全发射,显然内量子效率是极低的。


当然对LED芯片来说,它是一个六面体,并非点光源,在不计电极挡光时,这个六面体的六个面均可有一个全发光临界角,共有49.6%的出光区域。事实上,LED由于要引出电极、固定在引线框架上等原因,还做不到六个面出光,也就是达不到49.6%的全发射区域。LED内量子效率一般仅在20%左右,它还有很大的提升空间,就是要综合LED芯片结构、封装结构、材料折射系数等方面因素加以解决,来提高出光效率。


近几年因环保、节能、半导体的综合优势,LED取代传统光源已锋芒毕露,但需要LED的发光效率有更大的突破才可以实现广泛应用,要提高发光效率就跟以上内量子效率与电光效率息息相关!技术提高的同时带动成本下降,半导体照明才可以发挥科技优势!


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