第八章半导体发光二极管

当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。8.5半导体LED的工作原理

p-n结注入式电致发光机理 （结型电致发光）按照半导体材料不同形成的p-n结来进行电致发光的情况，可分为两类：同质p-n结注入式电致发光异质p-n结注入式电致发光8.7.4温度对LED的电学性质的影响温度对二极管正向驱动电压也有影响。对非简并半导体，在正向偏压下，肖克莱方程可写成：由此可得：其中：8.8.1P-I特性和不同定义下得光发射效率LED最终的输出光功率可以用发光过程中每一步自身的特征效率表示，所以器件总效率（也叫外功率效率）可以表示为：ηg：过剩载流子的注入效率ηi：载流子的辐射复合效率，也叫内量子效率。ηesc：半导体内的光逸出器件能进入自由空间的效率，也叫光学（逸出）效率。LED的输出光功率Pout与注入电流I的关系是反映器件性能优劣的基本特性之一。1、注入效率ηg对于一个不对称的n+-P结，电子注入是主要的，注入到结的P型侧的电子电流是二极管总电流的一部分，即：由此可得：爱因斯坦关系质量作用定律2、内量子效率ηiLED的内量子效率定义为：其中，Pin是从LED有源区发射的光功率，I是注入电流。对于直接带隙半导体的同质结器件，内量子效率一般为50%，双异质结结构器件的ηi可达60%~80%。对间接带隙半导体，ηi很低，掺入等电子杂质中心后，复合只能靠杂质能级发生，。3、光逸出效率ηesc从LED管芯有源区发出的光子不是都能逸出到管子外面的自由空间区的，存在各种损耗因素。例如，从管芯发出的光会被衬底再吸收，发射的光可能入射到金属接触的表面而被反射吸收，还有从半导体表面发出的光，当期角度大于临界角时会发生全内反射。这样，管芯发射的光不能全部逸出管外，为此定义光逸出功率为：提高光逸出效率是很困难的，通常不采取特殊措施时，不会超过50%。4、外量子效率ηext外量子效率定义为：可见，外量子效率是内量子效率与光逸出效率的乘积。5、外功率效率ηo外功率效率定义为：其中，IF为正向注入电流，Vj为pn结的偏置电压，Vj=VF-RIF，VF是正向偏置电压，R是电路中宗的串联电阻，IF与Vj的乘积为提供给LED的电功率，所以外功率也叫插座（wallplug）效率，转换效率即LED的总效率。6、斜率效率ηo斜率效率是描述LED的P-I特性的重要参量之一。它定义为LED输出光功率Pout对注入电流IF的一次微分，即7、荧光效率ηL（视觉响应）当LED应用到与人眼视觉相关的场合中时，必须考虑器件的生物学影响，为此更适合用光度学单位来表示LED的性能。可以将器件的输出光谱对人眼的影响归一化，这样荧光效率可以表示为：P0(λ)是LED的发射谱，V(λ)是眼睛的明视觉响应谱。8、LED光纤的耦合效率ηf在LED地某些应用中，需要将光耦合进光纤，这时存在一个耦合效率，如果光纤维最大接受叫，则根据计算得到：其中，和分别为光纤芯和包层的折射率，N.A为光纤的数值孔径。若认为LED发出的光在空间满足余弦分布，且满足分步范围在0~π/2，则耦合进光纤的光的效率为：LED与光纤的耦合效率很低，只有10%左右，所以提高耦合效率是LED结构设计研究的重要课题之一。8.8.6提高LED内量子效率的措施从原理上讲，有两种可能的方法来提高LED的内量子效率：加大复合辐射概率和降低非辐射复合概率，具体通过以下几种方法来实现：（1）采用晶格匹配的双异质结构；（2）选取适当的有源区掺杂浓度；（3）选取适当的限制层掺杂浓度；（4）控制pn结偏移的影响；（5）降低非辐射复合的影响。（1）采用晶格匹配的双异质结构在异质结构中，有源层与限制层（包层）的晶格常数匹配是必要条件（应变量子阱结构除外）。晶格失配会产生悬挂键，形成失配位错线，载流子在这些位错上会发生非辐射复合，因此内量子效率就随晶格失配的增加而降低。实验结果表明，当晶格失配率超过了3Χ10-3时，LED的输出光功率急剧下降。（2）选取适当的有源区掺杂浓度有源层和限制层的掺杂对双异质结LED内量子效率起着决定性的作用，而且影响是多方面的。双异质结LED的有源区不需要重掺杂，不管是p型还是n型，重掺杂后pn结将位于量子阱区的边上，即靠近有源层-限制层界面处，因此载流子容易溢出而流向限制层一侧，载流子扩散进入限制层后就会降低辐射复合效率，所以有源层一定不是重掺杂的，要么掺杂浓度比限制层低，要么就不掺杂，而且有源层通常都是p型掺杂，因为电子是少子时，它的扩散长度比空穴的长（电子迁移率高），能保证电子在有源层更均匀地分布。（3）选取适当的限制层掺杂浓度限制层的掺杂浓度对双异质结LED的内量子效率有很大影响。限制层的电阻率大小是决定该层掺杂浓度的因素之一。电阻率必须足够低，以免对限制层起加热作用。另一个因素是有源层的净杂质浓度，因为即使有源层故意不掺杂，也会有剩余杂质浓度，其典型值为1015~1016cm-3。限制层的杂质浓度必须高于有源区，以确定pn结的位置。（4）控制pn结偏移的影响pn结从预定的位置向限制层偏移是双异质结LED中的重要问题。通常下限制层是N型，上限制层是P型，有源层是不掺杂或轻掺杂。但是如果发生掺杂再分布，pn结就会偏向限制层一侧。在高温长时间生长过程中，掺杂剂要扩散、分凝，这会造成杂质再分布。一般是上限制层的受主向有源区和下限制层扩散，像Zn、Be都是直径小的原子，很容易沿晶格扩散，加上Zn、Be的扩散系数与浓度有很强的关系，如果超过某一临界厚度，Zn、Be受主就扩散得很快，结果器件将不再工作，不能发射相应波长的光。（5）降低非辐射复合的影响LED的有源区必须是高质量晶体。由点缺陷、不希望要的杂质、位错等形成的深能级浓度必须降到最低，同时表面复合也应当尽可能小。要使得自由表面距离电子、空穴若干个扩散长度，即任何表面离有源区尽可能远一些。台面刻蚀型LED的有源区暴露在大气中，表面复合厉害，内量子效率就低。表面复合还会使器件寿命降低。表面复合会使表面加热产生结构缺陷，使效率进一步降低。而平面结构LED的发光强度比台面结构稍大，寿命要长好几倍。平面器件中，电子-空穴复合发生在金属接触电极以下，它远离侧面的表面。所以说如果只有一种载流子存在，在这种单极区的表面，并不产生任何有害效应，即并不降低辐射效率、发光强度和引起严重的退化。9、提高LED光溢出效率的措施光学增透膜LED芯片倒装结构改变LED形状电极优化采用电流扩展层和电流阻挡层表面粗化生长分布布喇格反射层（DBR）结构制作透明衬底LED（TS-LED）（1）光学增透膜光学增透膜原理示意图利用光线通过折射率为n1的薄膜时，在上下表面发生反射，设上下两种介质的折射率为，n0、n2，当两束反射光的光程差为半波长的奇数倍时,两束光发生干涉相消，反射光强度减为最弱，当满足时，反射光减为0，入射的光线除了被材料本身吸收外将完全透过。（2）、LED芯片倒装结构LED芯片倒装结构在这种结构中，光从透明的蓝宝石衬底上射出，而且电极倒装焊接在基板上减少了电极对光的吸收。还可以通过增加电极的厚度及用对光反射率较高的Ag、Al作为反射电极层，可以改善电流拥挤效应。此外有源区更靠近热沉，热量可以快速通过基板传递出去。（3）、改变LED形状Krames科研小组将蓝宝石衬底LED芯片倒置，切去四个方向的下角，斜面与垂直方向的夹角为35o。LED的这种几何外形可以使内部反射的光从侧壁的内表面再次传播到上表面，而以小于临界角的角度出射。同时使那些传播到上表面大于临界角的光重新从侧面出射。这两种过程能同时减小光在内部传播的路程。（4）、电极优化LED的电极对光输出影响很大，如果电流扩散不充分、不均匀，会导致出光减少。合理设计厚电极的形状可以提高LED的发光效率。如果电极太少，则无法充分均匀地扩展电流；如果电极太多，则会阻挡光的取出。（5）采用电流扩展层和电流阻挡层LED中，在薄的限制层内，大部分电流注入到上电极之下的有源区，光产生在不透光的金属电极之下，因此光的逸出效率就很低。若采用电流扩展层的办法，让电流扩展到被不透明电极覆盖之外的区域，就可以增加光逸出效率。（6）、表面粗化表面粗化原理示意图降低LED内部光全反射的一个最常用、行之有效的方法就是在LED表面进行粗化，减少内反射，从而提高出光效率。早在1993年Schnitze等人在GaAs基LED芯片表面进行粗化，提出表面微小的粗化可以导致光线运动紊乱，从而就有更多的光线满足逃逸角。（7）制作透明衬底LED（TS-LED）