LED發光原理

發光二極管核心是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， 它還具有發光特性。在正向電壓下，電子由N區注入P區，空穴由P區注入N區。進入對方區域的少數載流子（少子）一部分與多數載流子（多子）復合而發光， 如圖1所示。由于復合是在少子擴散區內發光的，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。

假設發光是在P區中發生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發光，或者先被發光中心捕獲后，再與空穴復合發光。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光波長的發光二極管。

LED發光效率描述

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、激發散射和晶格散射等問題，使電子從激發態躍遷到基態時與晶格原子或離子交換能量時發生無輻射躍遷，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射，從有源區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，當芯片發出光在晶體材料與空氣界面時，會發生全反射現象，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發光效率的五大因素

原來高溫也會影響LED發光效率，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，使芯片的發射波長和熒光粉的激發波長不匹配，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。當溫度恢復至初態時，LED器件參數的變化隨之消失，LED光輸出也會恢復至初態值。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的發光效率

早期LED組件發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展，超高亮度發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光光源，因此現在提高芯片的外量子效率是提高發光效率的關鍵。目前國內外采用的主要技術途徑和發展狀況闡述如下：

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模量產。由LED有源層所發出的光，皆為全向性，有部份的光因為折射或反射的關系，沿著水平方向發射出去，這部分光線只是增加光的發散而對元件的發光效率并沒有多大幫助，應讓光線更多的從正面發射出來。在GaN基LED中，根據斯涅爾定律，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光亮度更為集中，從而亮度獲得提升。

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則的凹凸形狀，而這種規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的損傷和在光子晶體制備過程導入太多表面損傷，引發內量子效率的下降，同時又能發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。