淺析LED三要素：IQE、LEE與EQE

時間：2013-11-14 00:00:00

關鍵字： LED NI 量子 GAN

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[導讀]一.IQE、LEE與EQE定義首先給出內量子效率(IQE：Internal Quantum Efficiency )、光析出率(LEE：Light Extraction Efficiency)與外量子效率(EQE：External Quantum Efficiency)參數(shù)的定義與表達如下： IQE=單位時間內

一.IQE、LEE與EQE定義

首先給出內量子效率(IQE：Internal Quantum Efficiency )、光析出率(LEE：Light Extraction Efficiency)與外量子效率(EQE：External Quantum Efficiency)參數(shù)的定義與表達如下：

IQE=單位時間內有源層發(fā)射的光子數(shù)/單位時間內注入到有源層的電子子數(shù)=(Pint/(hv))/(I/e) (1.1)

LEE=單位時間內出射到空間的光子數(shù)/單位時間內從有源層內出射的光子數(shù)=(P/(hv))/=(Pint/(hv)) (1.2)

EQE=單位時間內出射到空間的光子數(shù)/單位時間內注入到有源層的電子子數(shù)=(P/(hv))/(I/e)=IQE*LEE (1.3)

其中，Pint是有源區(qū)內發(fā)射出的光功率，I為注入電流，P是發(fā)射到自由空間的光功率。內量子效率表征了LED有源區(qū)將注入的電能轉化為光能的能力;光提取效率表征了LED有源區(qū)將產生的光能發(fā)射出去的能力;外量子效率表征了LED將電能轉化為外界可見光能的能力，外量子效率越高則發(fā)光效率越高。對于理想LED器件，此三個參數(shù)均為1，即可將注入的電能完全轉化為外界可見的光能。

二.影響IQE、LEE與EQE因素

外延層中的缺陷限制了LED的IQE。從發(fā)光二極管的工作原理我們得知，發(fā)光二極管是靠電子與空穴的輻射復合發(fā)光。但電子與空穴還存在另外一種復合機制——非輻射復合，見圖1。當電子與空穴發(fā)生非輻射復合時，多余的能量以聲子的形式傳遞給附近的原子，增加了原子的動能。宏觀上講，使得LED溫度升高。

非輻射復合與外延層中的缺陷有關。當外延層中存在缺陷時，在缺陷處會形成復合中心，在該復合中心處更容易發(fā)生非輻射復合。缺陷密度越高，此種復合中心也越多，則會有更多的復合載流子發(fā)生非輻射復合。因此，在缺陷集中地區(qū)域，發(fā)光強度較弱。而對LED的LEE限制因素是材料的折射率

圖1

當光線從高折射率的物質向低折射率的物質入射時，由Snell定律可知，若入射角過大，會發(fā)生全反射。發(fā)生全反射時，光線無法進入低折射率的物質，只有入射角度小于全反射臨界角的光線才能低折射率的物質而發(fā)射出去時。因此，全反射降低了光提取效率，LED芯片內部的光線只有一部分能發(fā)射出去。(注：上述引自我一哥們的論文，他引自重呵呵)。

對于藍寶石基GaN多量子阱結構LED，藍寶石、GaN與空氣的折射率分別為1.7、2.5與1，從而導致光子從GaN材料到空氣的逃逸角(未封裝的情況下)僅有23°，LEE僅有5%。

考慮電極以及封裝等引起的損耗，EQE還需要在式1.3乘以一個小于1的系數(shù)。

三. 對IQE、LEE以及EQE的提高

基于上述，提高IQE方法主要集中在了提高GaN外延層質量上了。

而對LEE提高主要集中在了封裝結構設計上了。

雖然根據(jù)Snell簡單計算可以發(fā)現(xiàn)，即使在空氣與GaN之間插入一層折射率介于GaN與空氣之間的材料，亦不會提高LEE，但這層材料的形狀可以改變LEE。

對IQE與LEE的提高自然可以提高EQE。

這里最想是說一下關于這三個參數(shù)提高率之間的關系。

對于一個量a而言，如果其值變化到了b，則其變化率

n(%)=(b-a)/a*100

或

b=a(1+n%)