提高LED發(fā)光效率的方法

1、如何提高LED發(fā)光效率王文瀚12S0110291引言發(fā)光二極管（Light Emitting Diode, LED）是一種可將電能轉(zhuǎn)換為光能的有源 電子器件，屬于電致發(fā)光固態(tài)光源。與傳統(tǒng)的光源相比，具有體積小、壽命長、 電壓低、節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點，是下一代照明的理想選擇。但半導(dǎo)體折射率很高， 由于全反射等因素，有源層產(chǎn)生的光絕大部分在LED內(nèi)部轉(zhuǎn)換為熱能白白損耗掉了，能夠輻射到自由空間的光占很小部分，使傳統(tǒng)LED的出光效率仍然很低,因此提高LED的出光效率在節(jié)能減排的今天具有重要的意義。本文首先簡要介 紹了 LED發(fā)光原理，并總結(jié)了幾種主流的提高 LED發(fā)光效率的方法。2 LED發(fā)光原理發(fā)光二極

2、管核心是PN結(jié)，因此它具有一般PN結(jié)的電流電壓特性，即正向 導(dǎo)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(shù)載 流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光，如圖1所示。由于復(fù)合是在 少子擴散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近 PN結(jié)面數(shù)微米以內(nèi)產(chǎn)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(dǎo)電層及P型與N型半導(dǎo)體內(nèi)的載流子濃度及載流子遷移率。圖1 LED發(fā)光原理假設(shè)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(fù)合而發(fā)光， 或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。由不同化學(xué)成份的半導(dǎo)體材料

3、， 基于它們具有之能隙值各不相同，再經(jīng)適當(dāng)?shù)慕M合后可以得到不同發(fā)光波長的發(fā)光二極管。3 LED發(fā)光效率描述3.1內(nèi)量子效率電子和空穴在PN結(jié)過渡層中復(fù)合會產(chǎn)生光子，然而并不是每一對電子和空 穴都會產(chǎn)生光子，由于LED的PN結(jié)作為雜質(zhì)半導(dǎo)體，存在著材料品質(zhì)、位錯 因素以及工藝上的種種缺陷，會產(chǎn)生雜質(zhì)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(chǎn)生光子，這部分能量不轉(zhuǎn)換成光能而轉(zhuǎn)換成熱能損耗在PN結(jié)內(nèi)，于是就有一個復(fù)合載流子轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)然，很難去計算復(fù)合載流子總數(shù)和產(chǎn)生的光子總 數(shù)。一般是通過測量LED輸出的光功率來評價這一效率，這

4、個效率就稱為內(nèi)量 子效率。用符號nnt表示：每秒鐘從有源層輻射出來的光子數(shù)Rnt / (h) I . ,int 一注入LED的電子數(shù)一 l/e3.2外量子效率輻射復(fù)合所產(chǎn)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(chǎn)生的 光子通過半導(dǎo)體有部分可以被再吸收；另外由于半導(dǎo)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(nèi)部。 即使是垂直射到界面的光子，由于高折射 率而產(chǎn)生高反射率，有相當(dāng)部分被返回晶體內(nèi)部。因此外量子效率可以表示為：每秒鐘輻射到自由空間的光子數(shù)注入LED的電子數(shù)P/(h )I /e一般LED都以平面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的光

5、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(dāng)以及光被材料本身所吸收；二是光不易從高折射率的半導(dǎo)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(dāng)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(xiàn)象，晶體本身對被折回的光有相當(dāng)一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。4提高LED發(fā)光效率的方法早期LED組件發(fā)展集中在提升其內(nèi)部量子效率，方法主要是利用提高芯片 的質(zhì)量及改變芯片的結(jié)構(gòu)，使電能不易轉(zhuǎn)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(nèi)部量子效率。隨著外延生長技術(shù)和多量子 阱結(jié)構(gòu)的發(fā)展，超高亮度發(fā)光二極管的內(nèi)

6、量子效率已有了非常大的改善，如波長625nm AIGaInP基超高亮度發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率可達(dá)至 100%，已接近極限。半導(dǎo)體材料本身的光電轉(zhuǎn)換效率已遠(yuǎn)遠(yuǎn)高過其它發(fā)光光源，因此現(xiàn)在提高芯片的外量子效率是提高發(fā)光效率的關(guān)鍵。目前國內(nèi)外采用的主要技術(shù)途徑和發(fā)展?fàn)顩r 闡述如下：4.1改變芯片外形的技術(shù)Krarnes等人利用特殊的刀具，將AllnGaP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(xiàn)了50%以上的外量子效率。TIP結(jié)構(gòu)減少了光在晶體內(nèi)傳輸距離、減少了內(nèi)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(dá)100流明/瓦(100m

7、A，610nm),外量子效率更達(dá)到55%(650nm),而面朝下的倒裝結(jié)構(gòu)使P-N結(jié)更接近 熱沉，改善了散熱特性，提高了芯片壽命。對于傳統(tǒng)正裝 GaN基LED，可以使 用濕法蝕刻的方法將芯片蝕刻出 23?則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(chǎn)。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(guān)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(yīng)讓光線更多的從正面發(fā)射出來。在GaN基LED中，根據(jù)斯涅爾定律 0=sin-1(nair/nGaN)(nair = 1，nGaN =2.5)，即由公式算出其 折射臨界角約為23?,

8、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(cè)邊形成一個約 23?勺側(cè)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(cè)壁全反射機率，其結(jié)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。sapphimsapphire(a)光由水平方向射出；(b)使用約23?則壁傾角結(jié)構(gòu)圖2使用側(cè)壁傾角技術(shù)提高出光率原理4.2倒裝芯片技術(shù)GaN基二極管外延片一般是生長在絕緣的藍(lán)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(cè)，正面射出的光部分將被接觸電極所吸收和鍵合引線遮擋

9、。造成光吸收更主要的因素是P型GaN層電導(dǎo)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(yīng)大于5-10nm,但是要使光吸收最小，貝U 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(dāng)?shù)恼壑裕?折衷設(shè)計的結(jié)果 必定使其功率轉(zhuǎn)換的提高受到了限制。 2001 年 Lumileds 公司報道了倒裝焊技術(shù) 在大功率 AlInGaN 基芯片上的應(yīng)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(lán)寶 石一方，進一步提升出光效率，外量子效率達(dá) 21，功率換效率達(dá)

10、20(20mA， 435nm)，最大功率達(dá)至400mW(驅(qū)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。4.3 生長分布布拉格反射層 (DBR) 結(jié)構(gòu)通過外延技術(shù)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(jié)構(gòu)， 它在有源層和襯底之間， 能夠?qū)⑸湎蛞r底的光反射 回表面或側(cè)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。4.4 表面粗糙化技術(shù)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

11、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(xué)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)貝的凹凸 形狀，而這種規(guī)貝分布的結(jié)構(gòu)也依所在位置的不同分為兩種形式， 一種是在組件 內(nèi)設(shè)置凹凸形狀， 另一種方式是在組件上方制作規(guī)貝的凹凸形狀， 并在組件背面 設(shè)置反射層。由于使用傳統(tǒng)制程即可在 GaN 系化合物半導(dǎo)體層的界面設(shè)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