发光二极管光取出原理

1、发光二极管光取出原理半导体发光二极管的辐射发光效率(Radiant Efficiency,n R又被称为电光转换效率(Wall-Plug Efficiency, n wp)，是光输出功率与光输入功率之比。式中，n ext是外部量子效率(External Quantum Efficiency) ; n v是电压效率。因为外部量子效率等于内部量子效率(Internal Quantum Efficiency,n诚)乘以光取出效率(Extraction Efficiency, Gx)，所以内部量子效率是光子数与电子空穴复合数之比，因此其中，Popt为光输出功率；I为电流；V为电压；h为普朗克常数；f为

2、频率(Frequency ); q为电荷量。一般n v的范围是0.750.97，要增加n v就是要减少电阻及电压与临界电流，而电 阻则与LEDPn结中的p层杂质分布及电接触有关。所以在进入功率IV 一定时，要改进n w p就要改进内部量子效率以得到高的Popt以及高的光取出效率。而这里主要的目的就是介绍怎样增加光取出效率以得到高亮度、高效率的LED。一般LED都以平面结构生长在有光吸收(Absorbing )功能的衬底上，上面以环氧树脂圆顶形(Epoxy Dome) 封装，这种结构的光取出效率非常低，仅为4%左右，而质量好的双异质结构的内部量子效率可高达99%所以只有一小部分的光被放出，主要原

3、因有：一是电流分布不当以及光被材料本身所吸收；二是光不易从高折射率(RefractiveIndex)的半导体传至低折射率的外围空气(n=1)。LED的发光是由pn结中的活性层产生，其外部量子效率是内部量子效率乘以光取出效率Gx,而Cex则有三种不同的光损失机制，由于材料本身的吸收而产生损失n a、菲涅耳(Fresnel )损失n Fr及全反射角(Critical Angle)损失n c r，所以要减少因材料本身的吸收以及电流分布不当而产生的损失，应该要有厚的窗口层(Win dow Layer )或电流分布层使电流能均匀分布并增大表面透过率；用电流局限(Current Blocking )技术使

4、电流不在电接触区域下通过；用透明、不吸收光材料作衬底(Substrate )或者在活性层下设置反射镜将反射至表面。当光从折射率为m的某一物质到折射率为n2的另一物质时，一部分的光会被反射回去，这种损失称作菲涅耳损失。一般反射系数R为加(竺绍而透射系数(Transmission Coefficient) T 为+22 + 厭将此式除以nm2,那么菲涅耳损失系数n丹为42 + (% /%) + (兮/灼)如果光由半导体(n 1=3.4 )射至空气(n2=1),那么n丹=0.702，也就是70.2%的光 可以透射半导体与空气的界面。假如半导体表面可以涂上一层材料，其折射率片二 J旳也二 J(34)(

5、i)二 L84，那么n Fr=0.832，透射率增加了18.5%。假若用树脂材料(n x=1.5)，贝U n丹=0.816，也可以增加16.2%透射率。全反射角损失是由于斯涅耳定律的关系n1sin 0 1=n2Sin 0 2只有小于临界角(Critical Angle) 0 c内的光可以完成被射出，其他的光则被反射回内部或吸收，而此临界角是如果ni=3.4 , n2=1，则0 c=17°,如图1（a）所示，所以只有在顶角为 2 0 c的圆锥体 内的光才可以被放出，如图 1（b）所示，其他的光被反射回去。也就是说，只有20 c=34°圆锥体（Cone）中的光可“脱逃”至空气中

6、。临界角损失系数由n “下式表示：E住商输曲界曲间it的折射fb）百般led半学怦打進间比的折能光的稿界策亂£ 1为了减少临界角损失，一种方法就是将半导体做成球形，当然这不合实际，另一种方法是做成半圆形圆顶 （Semispherical Dome，但是会增加成本。如果用一个半圆形透镜， 则透镜的折射率要和半导体相同，如果透境的折射率是n x，而半导体的折射率为 n 1，那么2 2光的损失就是一- 。目前LED大部分是用环氧树脂做成圆顶，放在 LED芯片上，如图 2所示，可以将临界角 0 c增加至26°, n cr也增加至0.195。如果比较LED芯片与LED灯的 发光效率，

7、则厶妙灯泡发光数率_财松）灯泡_ （0.816x0.195）晶片发光数率一 5川屛”）晶片一匚（0冠其Q0865） 一所以可以获得2.61倍的改进。62环氧树脂n=k5空气川=1nGaAlAs 晶体 n=3,4半圆形树脂封装时的光折射情况LED芯片本身发光效率与其结构有很大的关第，一般芯片多做成正方形。F.A.Kish等人研究光取出现象时以2 0 c角宽的圆锥形表示可以“逃脱”的光，有如图 3所示的四种不同结构。图3(a)是用薄的窗口层加上有光吸收的衬底，射出的光只有上面是小圆锥，但 是如果窗口层被加厚则可得到图3 ( b)所示的情形。除了上面的圆锥，四周尚有四个半圆锥的光可以射出，如果如图3

8、(c)所示在衬底上有分布式布拉格反射(DBRDistributed BraggReflector )镜，等于增加了下面的光射出。最好的情况是如图3(d)所示用厚的窗口层加上透明衬底，这样窗口屋的上、下及四周均有光射出，等于有六个圆锥的光可以射出。(叮薄的窗口脛加上有吸收性衬底4X(l/2)fflfc 圆锥刃的囱门!加上有吸收性衬底顶部的闕推”底部的脚誰顶部的圈惟十 底冊的帆琵+(幼薄的隨匚垢加t .DBR反拊镜4恻瓯的型惟(小厚的窗口足加上透明対底图3LED芯片在不同结构时光取出的示意图(引自F. A. Kish零人的论文)般光射出效率可以由下式表示:式中，ns为半导体材料的折射率；n e为外面材料的折射率。例如，空气n e=1,环氧树脂n e=1.5 , 用AIGalnP材料ns约为3.4，如果n e为-1.5，贝U n。仪约为25%/用CaN材料ns约为2.5，则 nopt 约为 29%图4(a)所示是惠普公司的 ALGaInP LED的剖面结构示意图，上面有厚的CaP窗口层 下面