第八章半導(dǎo)體發(fā)光二極管

當(dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長(zhǎng)越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。8.5半導(dǎo)體LED的工作原理

p-n結(jié)注入式電致發(fā)光機(jī)理 （結(jié)型電致發(fā)光）按照半導(dǎo)體材料不同形成的p-n結(jié)來(lái)進(jìn)行電致發(fā)光的情況，可分為兩類：同質(zhì)p-n結(jié)注入式電致發(fā)光異質(zhì)p-n結(jié)注入式電致發(fā)光8.7.4溫度對(duì)LED的電學(xué)性質(zhì)的影響溫度對(duì)二極管正向驅(qū)動(dòng)電壓也有影響。對(duì)非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體，在正向偏壓下，肖克萊方程可寫成：由此可得：其中：8.8.1P-I特性和不同定義下得光發(fā)射效率LED最終的輸出光功率可以用發(fā)光過(guò)程中每一步自身的特征效率表示，所以器件總效率（也叫外功率效率）可以表示為：ηg：過(guò)剩載流子的注入效率ηi：載流子的輻射復(fù)合效率，也叫內(nèi)量子效率。ηesc：半導(dǎo)體內(nèi)的光逸出器件能進(jìn)入自由空間的效率，也叫光學(xué)（逸出）效率。LED的輸出光功率Pout與注入電流I的關(guān)系是反映器件性能優(yōu)劣的基本特性之一。1、注入效率ηg對(duì)于一個(gè)不對(duì)稱的n+-P結(jié)，電子注入是主要的，注入到結(jié)的P型側(cè)的電子電流是二極管總電流的一部分，即：由此可得：愛(ài)因斯坦關(guān)系質(zhì)量作用定律2、內(nèi)量子效率ηiLED的內(nèi)量子效率定義為：其中，Pin是從LED有源區(qū)發(fā)射的光功率，I是注入電流。對(duì)于直接帶隙半導(dǎo)體的同質(zhì)結(jié)器件，內(nèi)量子效率一般為50%，雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)器件的ηi可達(dá)60%~80%。對(duì)間接帶隙半導(dǎo)體，ηi很低，摻入等電子雜質(zhì)中心后，復(fù)合只能靠雜質(zhì)能級(jí)發(fā)生，。3、光逸出效率ηesc從LED管芯有源區(qū)發(fā)出的光子不是都能逸出到管子外面的自由空間區(qū)的，存在各種損耗因素。例如，從管芯發(fā)出的光會(huì)被襯底再吸收，發(fā)射的光可能入射到金屬接觸的表面而被反射吸收，還有從半導(dǎo)體表面發(fā)出的光，當(dāng)期角度大于臨界角時(shí)會(huì)發(fā)生全內(nèi)反射。這樣，管芯發(fā)射的光不能全部逸出管外，為此定義光逸出功率為：提高光逸出效率是很困難的，通常不采取特殊措施時(shí)，不會(huì)超過(guò)50%。4、外量子效率ηext外量子效率定義為：可見(jiàn)，外量子效率是內(nèi)量子效率與光逸出效率的乘積。5、外功率效率ηo外功率效率定義為：其中，IF為正向注入電流，Vj為pn結(jié)的偏置電壓，Vj=VF-RIF，VF是正向偏置電壓，R是電路中宗的串聯(lián)電阻，IF與Vj的乘積為提供給LED的電功率，所以外功率也叫插座（wallplug）效率，轉(zhuǎn)換效率即LED的總效率。6、斜率效率ηo斜率效率是描述LED的P-I特性的重要參量之一。它定義為L(zhǎng)ED輸出光功率Pout對(duì)注入電流IF的一次微分，即7、熒光效率ηL（視覺(jué)響應(yīng)）當(dāng)LED應(yīng)用到與人眼視覺(jué)相關(guān)的場(chǎng)合中時(shí)，必須考慮器件的生物學(xué)影響，為此更適合用光度學(xué)單位來(lái)表示LED的性能?？梢詫⑵骷妮敵龉庾V對(duì)人眼的影響歸一化，這樣熒光效率可以表示為：P0(λ)是LED的發(fā)射譜，V(λ)是眼睛的明視覺(jué)響應(yīng)譜。8、LED光纖的耦合效率ηf在LED地某些應(yīng)用中，需要將光耦合進(jìn)光纖，這時(shí)存在一個(gè)耦合效率，如果光纖維最大接受叫，則根據(jù)計(jì)算得到：其中，和分別為光纖芯和包層的折射率，N.A為光纖的數(shù)值孔徑。若認(rèn)為L(zhǎng)ED發(fā)出的光在空間滿足余弦分布，且滿足分步范圍在0~π/2，則耦合進(jìn)光纖的光的效率為：LED與光纖的耦合效率很低，只有10%左右，所以提高耦合效率是LED結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究的重要課題之一。8.8.6提高LED內(nèi)量子效率的措施從原理上講，有兩種可能的方法來(lái)提高LED的內(nèi)量子效率：加大復(fù)合輻射概率和降低非輻射復(fù)合概率，具體通過(guò)以下幾種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：（1）采用晶格匹配的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)；（2）選取適當(dāng)?shù)挠性磪^(qū)摻雜濃度；（3）選取適當(dāng)?shù)南拗茖訐诫s濃度；（4）控制pn結(jié)偏移的影響；（5）降低非輻射復(fù)合的影響。（1）采用晶格匹配的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，有源層與限制層（包層）的晶格常數(shù)匹配是必要條件（應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)除外）。晶格失配會(huì)產(chǎn)生懸掛鍵，形成失配位錯(cuò)線，載流子在這些位錯(cuò)上會(huì)發(fā)生非輻射復(fù)合，因此內(nèi)量子效率就隨晶格失配的增加而降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)晶格失配率超過(guò)了3Χ10-3時(shí)，LED的輸出光功率急劇下降。（2）選取適當(dāng)?shù)挠性磪^(qū)摻雜濃度有源層和限制層的摻雜對(duì)雙異質(zhì)結(jié)LED內(nèi)量子效率起著決定性的作用，而且影響是多方面的。雙異質(zhì)結(jié)LED的有源區(qū)不需要重?fù)诫s，不管是p型還是n型，重?fù)诫s后pn結(jié)將位于量子阱區(qū)的邊上，即靠近有源層-限制層界面處，因此載流子容易溢出而流向限制層一側(cè)，載流子擴(kuò)散進(jìn)入限制層后就會(huì)降低輻射復(fù)合效率，所以有源層一定不是重?fù)诫s的，要么摻雜濃度比限制層低，要么就不摻雜，而且有源層通常都是p型摻雜，因?yàn)殡娮邮巧僮訒r(shí)，它的擴(kuò)散長(zhǎng)度比空穴的長(zhǎng)（電子遷移率高），能保證電子在有源層更均勻地分布。（3）選取適當(dāng)?shù)南拗茖訐诫s濃度限制層的摻雜濃度對(duì)雙異質(zhì)結(jié)LED的內(nèi)量子效率有很大影響。限制層的電阻率大小是決定該層摻雜濃度的因素之一。電阻率必須足夠低，以免對(duì)限制層起加熱作用。另一個(gè)因素是有源層的凈雜質(zhì)濃度，因?yàn)榧词褂性磳庸室獠粨诫s，也會(huì)有剩余雜質(zhì)濃度，其典型值為1015~1016cm-3。限制層的雜質(zhì)濃度必須高于有源區(qū)，以確定pn結(jié)的位置。（4）控制pn結(jié)偏移的影響pn結(jié)從預(yù)定的位置向限制層偏移是雙異質(zhì)結(jié)LED中的重要問(wèn)題。通常下限制層是N型，上限制層是P型，有源層是不摻雜或輕摻雜。但是如果發(fā)生摻雜再分布，pn結(jié)就會(huì)偏向限制層一側(cè)。在高溫長(zhǎng)時(shí)間生長(zhǎng)過(guò)程中，摻雜劑要擴(kuò)散、分凝，這會(huì)造成雜質(zhì)再分布。一般是上限制層的受主向有源區(qū)和下限制層擴(kuò)散，像Zn、Be都是直徑小的原子，很容易沿晶格擴(kuò)散，加上Zn、Be的擴(kuò)散系數(shù)與濃度有很強(qiáng)的關(guān)系，如果超過(guò)某一臨界厚度，Zn、Be受主就擴(kuò)散得很快，結(jié)果器件將不再工作，不能發(fā)射相應(yīng)波長(zhǎng)的光。（5）降低非輻射復(fù)合的影響LED的有源區(qū)必須是高質(zhì)量晶體。由點(diǎn)缺陷、不希望要的雜質(zhì)、位錯(cuò)等形成的深能級(jí)濃度必須降到最低，同時(shí)表面復(fù)合也應(yīng)當(dāng)盡可能小。要使得自由表面距離電子、空穴若干個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度，即任何表面離有源區(qū)盡可能遠(yuǎn)一些。臺(tái)面刻蝕型LED的有源區(qū)暴露在大氣中，表面復(fù)合厲害，內(nèi)量子效率就低。表面復(fù)合還會(huì)使器件壽命降低。表面復(fù)合會(huì)使表面加熱產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷，使效率進(jìn)一步降低。而平面結(jié)構(gòu)LED的發(fā)光強(qiáng)度比臺(tái)面結(jié)構(gòu)稍大，壽命要長(zhǎng)好幾倍。平面器件中，電子-空穴復(fù)合發(fā)生在金屬接觸電極以下，它遠(yuǎn)離側(cè)面的表面。所以說(shuō)如果只有一種載流子存在，在這種單極區(qū)的表面，并不產(chǎn)生任何有害效應(yīng)，即并不降低輻射效率、發(fā)光強(qiáng)度和引起嚴(yán)重的退化。9、提高LED光溢出效率的措施光學(xué)增透膜LED芯片倒裝結(jié)構(gòu)改變LED形狀電極優(yōu)化采用電流擴(kuò)展層和電流阻擋層表面粗化生長(zhǎng)分布布喇格反射層（DBR）結(jié)構(gòu)制作透明襯底LED（TS-LED）（1）光學(xué)增透膜光學(xué)增透膜原理示意圖利用光線通過(guò)折射率為n1的薄膜時(shí)，在上下表面發(fā)生反射，設(shè)上下兩種介質(zhì)的折射率為，n0、n2，當(dāng)兩束反射光的光程差為半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí),兩束光發(fā)生干涉相消，反射光強(qiáng)度減為最弱，當(dāng)滿足時(shí)，反射光減為0，入射的光線除了被材料本身吸收外將完全透過(guò)。（2）、LED芯片倒裝結(jié)構(gòu)LED芯片倒裝結(jié)構(gòu)在這種結(jié)構(gòu)中，光從透明的藍(lán)寶石襯底上射出，而且電極倒裝焊接在基板上減少了電極對(duì)光的吸收。還可以通過(guò)增加電極的厚度及用對(duì)光反射率較高的Ag、Al作為反射電極層，可以改善電流擁擠效應(yīng)。此外有源區(qū)更靠近熱沉，熱量可以快速通過(guò)基板傳遞出去。（3）、改變LED形狀Krames科研小組將藍(lán)寶石襯底LED芯片倒置，切去四個(gè)方向的下角，斜面與垂直方向的夾角為35o。LED的這種幾何外形可以使內(nèi)部反射的光從側(cè)壁的內(nèi)表面再次傳播到上表面，而以小于臨界角的角度出射。同時(shí)使那些傳播到上表面大于臨界角的光重新從側(cè)面出射。這兩種過(guò)程能同時(shí)減小光在內(nèi)部傳播的路程。（4）、電極優(yōu)化LED的電極對(duì)光輸出影響很大，如果電流擴(kuò)散不充分、不均勻，會(huì)導(dǎo)致出光減少。合理設(shè)計(jì)厚電極的形狀可以提高LED的發(fā)光效率。如果電極太少，則無(wú)法充分均勻地?cái)U(kuò)展電流；如果電極太多，則會(huì)阻擋光的取出。（5）采用電流擴(kuò)展層和電流阻擋層LED中，在薄的限制層內(nèi)，大部分電流注入到上電極之下的有源區(qū)，光產(chǎn)生在不透光的金屬電極之下，因此光的逸出效率就很低。若采用電流擴(kuò)展層的辦法，讓電流擴(kuò)展到被不透明電極覆蓋之外的區(qū)域，就可以增加光逸出效率。（6）、表面粗化表面粗化原理示意圖降低LED內(nèi)部光全反射的一個(gè)最常用、行之有效的方法就是在LED表面進(jìn)行粗化，減少內(nèi)反射，從而提高出光效率。早在1993年Schnitze等人在GaAs基LED芯片表面進(jìn)行粗化，提出表面微小的粗化可以導(dǎo)致光線運(yùn)動(dòng)紊亂，從而就有更多的光線滿足逃逸角。（7）制作透明襯底LED（TS-LED）