LED發(fā)光原理

發(fā)光二極管核心是PN結，因此它具有一般PN結的電流電壓特性，即正向導通，反向截止或擊穿特性。此外，在一定條件下， 它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進入對方區(qū)域的少數載流子(少子)一部分與多數載流子(多子)復合而發(fā)光， 如圖1所示。由于復合是在少子擴散區(qū)內發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結面數微米以內產生。有幾種機制會影響正向電壓的高低，包括接觸電阻、透明導電層及P型與N型半導體內的載流子濃度及載流子遷移率。

假設發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復合發(fā)光。由不同化學成份的半導體材料，基于它們具有之能隙值各不相同，再經適當的組合后可以得到不同發(fā)光波長的發(fā)光二極管。

LED發(fā)光效率描述

1、內量子效率

電子和空穴在PN結過渡層中復合會產生光子，然而并不是每一對電子和空穴都會產生光子，由于LED的PN結作為雜質半導體， 存在著材料品質、位錯因素以及工藝上的種種缺陷，會產生雜質電離、激發(fā)散射和晶格散射等問題，使電子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時與晶格原子或離子交換能量時發(fā)生無輻射躍遷，也就是不產生光子，這部分能量不轉換成光能而轉換成熱能損耗在PN結內，于是就有一個復合載流子轉換效率。當然，很難去計算復合載流子總數和產生的光子總數。一般是通過測量LED輸出的光功率來評價這一效率，這個效率就稱為內量子效率。用符號教你如何提高LED的發(fā)光效率表示：

2、外量子效率

輻射復合所產生的光子并不是全部都能離開晶體向外發(fā)射，從有源區(qū)產生的光子通過半導體有部分可以被再吸收;另外由于半導體的高折射率，光子在界面處很容易發(fā)生全反射而返回晶體內部。即使是垂直射到界面的光子，由于高折射率而產生高反射率，有相當部分被返回晶體內部。因此外量子效率可以表示為：

一般LED都以平面結構生長在有光吸收功能的襯底上，上面以環(huán)氧樹脂圓頂形封裝，這種結構的光取出效率非常低，僅為4%左右，所以只有一小部分的光被放出， 主要原因有：一是電流分布不當以及光被材料本身所吸收;二是光不易從高折射率的半導體傳至低折射率的外圍空氣(n=1)。由于LED材料折射率很高，當芯片發(fā)出光在晶體材料與空氣界面時，會發(fā)生全反射現象，晶體本身對被折回的光有相當一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。

影響LED發(fā)光效率的五大因素

讓我們來看看溫度影響LED光效的原因包括以下幾個方面：

(1)溫度升高，電子與空穴的濃度會增加，禁帶寬度會減小，電子遷移率將減小。

(2)溫度升高，勢阱中電子與空穴的輻射復合幾率降低，造成非輻射復合(產生熱量)，從而降低LED的內量子效率。

(3)溫度升高導致芯片的藍光波峰向長波方向偏移，使芯片的發(fā)射波長和熒光粉的激發(fā)波長不匹配，也會造成白光LED外部光提取效率的降低。

(4)隨著溫度上升，熒光粉量子效率降低，出光減少，LED的外部光提取效率降低。

(5)硅膠性能受環(huán)境溫度影響較大。隨著溫度升高，硅膠內部的熱應力加大，導致硅膠的折射率降低，從而影響LED光效。

一般情況下，光通量隨結溫的增加而減小的效應是可逆的。也就是說當溫度回復到初始溫度時，光輸出通量會有一個恢復性的增長。這是因為材料的一些相關參數會隨溫度發(fā)生變化，從而導致LED器件參數的變化，影響LED的光輸出。當溫度恢復至初態(tài)時，LED器件參數的變化隨之消失，LED光輸出也會恢復至初態(tài)值。對此，LED的光通量值有“冷流明”和“熱流明”之分，分別表示LED結點在室溫和某一溫度下時LED的光輸出。

如何提高LED的發(fā)光效率

早期LED組件發(fā)展集中在提升其內部量子效率，方法主要是利用提高芯片的質量及改變芯片的結構，使電能不易轉換成熱能，進而間接提高LED的發(fā)光效率，而可獲得約70%左右的理論內部量子效率。隨著外延生長技術和多量子阱結構的發(fā)展，超高亮度發(fā)光二極管的內量子效率已有了非常大的改善，如波長625nmAlGalnP基超高亮度發(fā)光二極管的內量子效率可達至100%，已接近極限。

半導體材料本身的光電轉換效率已遠遠高過其它發(fā)光光源，因此現在提高芯片的外量子效率是提高發(fā)光效率的關鍵。目前國內外采用的主要技術途徑和發(fā)展狀況闡述如下：

1、改變芯片外形的技術

Krarnes等人利用特殊的刀具，將AlInGaP紅光LED臺面制成平頭倒金字塔(TIP)形芯片，鍵合到透明基片上，實現了50%以上的外量子效率。TIP結構誠少了光在晶體內傳輸距離、減少了內反射和吸收(有源區(qū)吸收和自由截流子吸收等)引起的光損耗、芯片特性大幅度改善，發(fā)光效率達100流明/瓦(100mA，610nm)，外量子效率更達到55%(650nm)，而面朝下的倒裝結構使P-N結更接近熱沉，改善了散熱特性，提高了芯片壽命。對于傳統正裝GaN基LED，可以使用濕法蝕刻的方法將芯片蝕刻出23。側壁傾斜角用于提高光取出效率，此方法目前已形成規(guī)模量產。由LED有源層所發(fā)出的光，皆為全向性，有部份的光因為折射或反射的關系，沿著水平方向發(fā)射出去，這部分光線只是增加光的發(fā)散而對元件的發(fā)光效率并沒有多大幫助，應讓光線更多的從正面發(fā)射出來。在GaN基LED中，根據斯涅爾定律教你如何提高LED的發(fā)光效率，即由公式算出其折射臨界角約為23。，故可以采用H3P04和H2S04混合溶液并利用濕法蝕刻的方式在一定溫度下，使GaN材料與垂直側邊形成一個約23*的側壁傾角，改變光線的傳輸方向，使光從正面射出，光亮度更為集中，從而亮度獲得提升。如此一來，便可增加光的側壁全反射機率，其結果如圖2所示。這樣便可使器件的發(fā)光亮度更為集中，從而亮度獲得提升。

教你如何提高LED的發(fā)光效率

2、倒裝芯片技術

GaN基二極管外延片一般是生長在絕緣的藍寶石襯底上，歐姆接觸的P電極和N電極只能制備在外延表面的同一側，正面射出的光部分將被接觸電極所吸收和鍵合引線遮擋。造成光吸收更主要的因素是P型GaN層電導率較低，為滿足電流擴展的要求，覆蓋于外延層表面大部分的半透明Ni-Au歐姆接觸層的厚度應大于5-10nm，但是要使光吸收最小，則Ni-Au歐姆接觸層的厚度必須非常薄，這樣在透光率和擴展電阻率二者之間則要給以適當的折衷，折衷設計的結果必定使其功率轉換的提高受到了限制。2001年Lumileds公司報道了倒裝焊技術在大功率AlnGaN基芯片上的應用，避免了電極焊點和引線對出光效率的影響，改善了電流擴散性和散熱性，背反射膜的制備將傳向下方的光反射回出光的藍寶石一方，進一步提升出光效率，外量子效率達21%，功率換效率達20%(20mA，435nm)，最大功率達至400mW(驅動電流1A，435nm，芯片尺寸lmm*lmm)，其總體發(fā)光效率比正裝增加1.6倍。

3、生長分布布拉格反射層(DBR)結構

通過外延技術生長具DBR層的GaN基芯片，DBR是兩種折射率不同的材料周期交替生長的層狀結構，它在有源層和襯底之間，能夠將射向襯底的光反射回表面或側面，可以減少襯底對光的吸收，提高出光效率。但由于DBR反射率隨著入射角的增加迅速減少，以全方位平均仍有較高的光損耗，反射膜效率不高。

4、表面粗糙化技術

表面粗糙化主要是將那些滿足全反射定律的光改變方向，繼而在另一表面或反射回原表面時不被全反射而透過界面，并能起防反射的功能。這樣的方法最早是由日亞化學所提出，其粗化方法基本上是在組件的幾何形狀上形成規(guī)則的凹凸形狀，而這種規(guī)則分布的結構也依所在位置的不同分為兩種形式，一種是在組件內設置凹凸形狀，另一種方式是在組件上方制作規(guī)則的凹凸形狀，并在組件背面設置反射層。由于使用傳統制程即可在GaN系化合物半導體層的界面設置凹凸形狀，因此上述第一種方式具有較高的實用性。目前若使用波長為405nm的紫外組件，可獲得43%外部量子效率，取出效率為60%，為目前全球最高的外部量子效率與取出效率。1999年Fuji報道將AlInGaN基芯片鍵合到硅基板上，再用激光剝離法去除襯底，在n型GaN表面通過光致電化學法腐蝕形成有序的錐型形狀可以增加發(fā)光強度2.3倍。

5、光子晶體技術

淺二維表面柵格光子晶體可避免對有源區(qū)的損傷和在光子晶體制備過程導入太多表面損傷，引發(fā)內量子效率的下降，同時又能發(fā)揮光子晶體的衍射效應，改變光的入射角而提升出光效率1.7~2.7倍，制作過程涉及電子束光刻或其他刻蝕工藝。

LED發(fā)光原理

發(fā)光二極管核心是PN結，因此它具有一般PN結的電流電壓特性，即正向導通，反向截止或擊穿特性。此外，在一定條件下， 它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進入對方區(qū)域的少數載流子(少子)一部分與多數載流子(多子)復合而發(fā)光， 如圖1所示。由于復合是在少子擴散區(qū)內發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結面數微米以內產生。有幾種機制會影響正向電壓的高低，包括接觸電阻、透明導電層及P型與N型半導體內的載流子濃度及載流子遷移率。

假設發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復合發(fā)光。由不同化學成份的半導體材料，基于它們具有之能隙值各不相同，再經適當的組合后可以得到不同發(fā)光波長的發(fā)光二極管。

LED發(fā)光效率描述

1、內量子效率

電子和空穴在PN結過渡層中復合會產生光子，然而并不是每一對電子和空穴都會產生光子，由于LED的PN結作為雜質半導體， 存在著材料品質、位錯因素以及工藝上的種種缺陷，會產生雜質電離、激發(fā)散射和晶格散射等問題，使電子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時與晶格原子或離子交換能量時發(fā)生無輻射躍遷，也就是不產生光子，這部分能量不轉換成光能而轉換成熱能損耗在PN結內，于是就有一個復合載流子轉換效率。當然，很難去計算復合載流子總數和產生的光子總數。一般是通過測量LED輸出的光功率來評價這一效率，這個效率就稱為內量子效率。用符號教你如何提高LED的發(fā)光效率表示：

2、外量子效率

輻射復合所產生的光子并不是全部都能離開晶體向外發(fā)射，從有源區(qū)產生的光子通過半導體有部分可以被再吸收;另外由于半導體的高折射率，光子在界面處很容易發(fā)生全反射而返回晶體內部。即使是垂直射到界面的光子，由于高折射率而產生高反射率，有相當部分被返回晶體內部。因此外量子效率可以表示為：

一般LED都以平面結構生長在有光吸收功能的襯底上，上面以環(huán)氧樹脂圓頂形封裝，這種結構的光取出效率非常低，僅為4%左右，所以只有一小部分的光被放出， 主要原因有：一是電流分布不當以及光被材料本身所吸收;二是光不易從高折射率的半導體傳至低折射率的外圍空氣(n=1)。由于LED材料折射率很高，當芯片發(fā)出光在晶體材料與空氣界面時，會發(fā)生全反射現象，晶體本身對被折回的光有相當一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。

影響LED發(fā)光效率的五大因素

讓我們來看看溫度影響LED光效的原因包括以下幾個方面：

(1)溫度升高，電子與空穴的濃度會增加，禁帶寬度會減小，電子遷移率將減小。

(2)溫度升高，勢阱中電子與空穴的輻射復合幾率降低，造成非輻射復合(產生熱量)，從而降低LED的內量子效率。

(3)溫度升高導致芯片的藍光波峰向長波方向偏移，使芯片的發(fā)射波長和熒光粉的激發(fā)波長不匹配，也會造成白光LED外部光提取效率的降低。

(4)隨著溫度上升，熒光粉量子效率降低，出光減少，LED的外部光提取效率降低。

(5)硅膠性能受環(huán)境溫度影響較大。隨著溫度升高，硅膠內部的熱應力加大，導致硅膠的折射率降低，從而影響LED光效。

一般情況下，光通量隨結溫的增加而減小的效應是可逆的。也就是說當溫度回復到初始溫度時，光輸出通量會有一個恢復性的增長。這是因為材料的一些相關參數會隨溫度發(fā)生變化，從而導致LED器件參數的變化，影響LED的光輸出。當溫度恢復至初態(tài)時，LED器件參數的變化隨之消失，LED光輸出也會恢復至初態(tài)值。對此，LED的光通量值有“冷流明”和“熱流明”之分，分別表示LED結點在室溫和某一溫度下時LED的光輸出。

如何提高LED的發(fā)光效率

早期LED組件發(fā)展集中在提升其內部量子效率，方法主要是利用提高芯片的質量及改變芯片的結構，使電能不易轉換成熱能，進而間接提高LED的發(fā)光效率，而可獲得約70%左右的理論內部量子效率。隨著外延生長技術和多量子阱結構的發(fā)展，超高亮度發(fā)光二極管的內量子效率已有了非常大的改善，如波長625nmAlGalnP基超高亮度發(fā)光二極管的內量子效率可達至100%，已接近極限。

半導體材料本身的光電轉換效率已遠遠高過其它發(fā)光光源，因此現在提高芯片的外量子效率是提高發(fā)光效率的關鍵。目前國內外采用的主要技術途徑和發(fā)展狀況闡述如下：

1、改變芯片外形的技術

Krarnes等人利用特殊的刀具，將AlInGaP紅光LED臺面制成平頭倒金字塔(TIP)形芯片，鍵合到透明基片上，實現了50%以上的外量子效率。TIP結構誠少了光在晶體內傳輸距離、減少了內反射和吸收(有源區(qū)吸收和自由截流子吸收等)引起的光損耗、芯片特性大幅度改善，發(fā)光效率達100流明/瓦(100mA，610nm)，外量子效率更達到55%(650nm)，而面朝下的倒裝結構使P-N結更接近熱沉，改善了散熱特性，提高了芯片壽命。對于傳統正裝GaN基LED，可以使用濕法蝕刻的方法將芯片蝕刻出23。側壁傾斜角用于提高光取出效率，此方法目前已形成規(guī)模量產。由LED有源層所發(fā)出的光，皆為全向性，有部份的光因為折射或反射的關系，沿著水平方向發(fā)射出去，這部分光線只是增加光的發(fā)散而對元件的發(fā)光效率并沒有多大幫助，應讓光線更多的從正面發(fā)射出來。在GaN基LED中，根據斯涅爾定律教你如何提高LED的發(fā)光效率，即由公式算出其折射臨界角約為23。，故可以采用H3P04和H2S04混合溶液并利用濕法蝕刻的方式在一定溫度下，使GaN材料與垂直側邊形成一個約23*的側壁傾角，改變光線的傳輸方向，使光從正面射出，光亮度更為集中，從而亮度獲得提升。如此一來，便可增加光的側壁全反射機率，其結果如圖2所示。這樣便可使器件的發(fā)光亮度更為集中，從而亮度獲得提升。

教你如何提高LED的發(fā)光效率

2、倒裝芯片技術

GaN基二極管外延片一般是生長在絕緣的藍寶石襯底上，歐姆接觸的P電極和N電極只能制備在外延表面的同一側，正面射出的光部分將被接觸電極所吸收和鍵合引線遮擋。造成光吸收更主要的因素是P型GaN層電導率較低，為滿足電流擴展的要求，覆蓋于外延層表面大部分的半透明Ni-Au歐姆接觸層的厚度應大于5-10nm，但是要使光吸收最小，則Ni-Au歐姆接觸層的厚度必須非常薄，這樣在透光率和擴展電阻率二者之間則要給以適當的折衷，折衷設計的結果必定使其功率轉換的提高受到了限制。2001年Lumileds公司報道了倒裝焊技術在大功率AlnGaN基芯片上的應用，避免了電極焊點和引線對出光效率的影響，改善了電流擴散性和散熱性，背反射膜的制備將傳向下方的光反射回出光的藍寶石一方，進一步提升出光效率，外量子效率達21%，功率換效率達20%(20mA，435nm)，最大功率達至400mW(驅動電流1A，435nm，芯片尺寸lmm*lmm)，其總體發(fā)光效率比正裝增加1.6倍。

3、生長分布布拉格反射層(DBR)結構

通過外延技術生長具DBR層的GaN基芯片，DBR是兩種折射率不同的材料周期交替生長的層狀結構，它在有源層和襯底之間，能夠將射向襯底的光反射回表面或側面，可以減少襯底對光的吸收，提高出光效率。但由于DBR反射率隨著入射角的增加迅速減少，以全方位平均仍有較高的光損耗，反射膜效率不高。

4、表面粗糙化技術

表面粗糙化主要是將那些滿足全反射定律的光改變方向，繼而在另一表面或反射回原表面時不被全反射而透過界面，并能起防反射的功能。這樣的方法最早是由日亞化學所提出，其粗化方法基本上是在組件的幾何形狀上形成規(guī)則的凹凸形狀，而這種規(guī)則分布的結構也依所在位置的不同分為兩種形式，一種是在組件內設置凹凸形狀，另一種方式是在組件上方制作規(guī)則的凹凸形狀，并在組件背面設置反射層。由于使用傳統制程即可在GaN系化合物半導體層的界面設置凹凸形狀，因此上述第一種方式具有較高的實用性。目前若使用波長為405nm的紫外組件，可獲得43%外部量子效率，取出效率為60%，為目前全球最高的外部量子效率與取出效率。1999年Fuji報道將AlInGaN基芯片鍵合到硅基板上，再用激光剝離法去除襯底，在n型GaN表面通過光致電化學法腐蝕形成有序的錐型形狀可以增加發(fā)光強度2.3倍。

5、光子晶體技術

淺二維表面柵格光子晶體可避免對有源區(qū)的損傷和在光子晶體制備過程導入太多表面損傷，引發(fā)內量子效率的下降，同時又能發(fā)揮光子晶體的衍射效應，改變光的入射角而提升出光效率1.7~2.7倍，制作過程涉及電子束光刻或其他刻蝕工藝。