提高led发光效率的方法

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1、如何提高LED发光效率王文瀚12S0110291引言发光二极管(LightEmittingDiode,LED)是一种可将电能转换为光能的有源电子器件，属于电致发光固态光源。与传统的光源相比，具有体积小、寿命长、电压低、节能和环保等优点，是下一代照明的理想选择。但半导体折射率很高，由于全反射等因素，有源层产生的光绝大部分在LED内部转换为热能白白损耗掉了，能够辐射到自由空间的光占很小部分，使传统LED的出光效率仍然很低，因此提高LED的出光效率在节能减排的今天具有重要的意义。本文首先简要介绍了LED发光原理，并总结了几种主流

2、的提高LED发光效率的方法。2LED发光原理发光二极管核心是PN结，因此它具有一般PN结的电流电压特性，即正向导通，反向截止或击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光，如图1所示。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数微米以内产生。有几种机制会影响正向电压的高低，包括接触电阻、透明导电层及P型与N型半导体内的载流子浓度及载流子迁移率。图1LED发光原理假设发光是在P区中发生的，

3、那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。由不同化学成份的半导体材料，基于它们具有之能隙值各不相同，-4-再经适当的组合后可以得到不同发光波长的发光二极管。3LED发光效率描述3.1内量子效率电子和空穴在PN结过渡层中复合会产生光子，然而并不是每一对电子和空穴都会产生光子，由于LED的PN结作为杂质半导体，存在着材料品质、位错因素以及工艺上的种种缺陷，会产生杂质电离、激发散射和晶格散射等问题，使电子从激发态跃迁到基态时与晶格原子或离子交换能量时发生无辐射跃迁，也就是不产生光子，这部分

4、能量不转换成光能而转换成热能损耗在PN结内，于是就有一个复合载流子转换效率。当然，很难去计算复合载流子总数和产生的光子总数。一般是通过测量LED输出的光功率来评价这一效率，这个效率就称为内量子效率。用符号ηint表示：3.2外量子效率辐射复合所产生的光子并不是全部都能离开晶体向外发射，从有源区产生的光子通过半导体有部分可以被再吸收；另外由于半导体的高折射率，光子在界面处很容易发生全反射而返回晶体内部。即使是垂直射到界面的光子，由于高折射率而产生高反射率，有相当部分被返回晶体内部。因此外量子效率可以表示为：一般LED都以平面

5、结构生长在有光吸收功能的衬底上，上面以环氧树脂圆顶形封装，这种结构的光取出效率非常低，仅为4％左右，所以只有一小部分的光被放出，主要原因有：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的半导体传至低折射率的外围空气(n=1)。由于LED材料折射率很高，当芯片发出光在晶体材料与空气界面时，会发生全反射现象，晶体本身对被折回的光有相当一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。4提高LED发光效率的方法早期LED组件发展集中在提升其内部量子效率，方法主要是利用提高芯片的质量及改变芯片的结构，使电能不易转换成热能，

6、进而间接提高LED的发光效率，而可获得约70％左右的理论内部量子效率。随着外延生长技术和多量子阱结构的发展，超高亮度发光二极管的内量子效率已有了非常大的改善，如波长625nm-4-AlGalnP基超高亮度发光二极管的内量子效率可达至100％，已接近极限。半导体材料本身的光电转换效率已远远高过其它发光光源，因此现在提高芯片的外量子效率是提高发光效率的关键。目前国内外采用的主要技术途径和发展状况阐述如下：4.1改变芯片外形的技术Krarnes等人利用特殊的刀具，将AlInGaP红光LED台面制成平头倒金字塔(TIP)形芯片，键

7、合到透明基片上，实现了50％以上的外量子效率。TIP结构减少了光在晶体内传输距离、减少了内反射和吸收(有源区吸收和自由截流子吸收等)引起的光损耗、芯片特性大幅度改善，发光效率达100流明/瓦(100mA，610nm)，外量子效率更达到55％(650nm)，而面朝下的倒装结构使P-N结更接近热沉，改善了散热特性，提高了芯片寿命。对于传统正装GaN基LED，可以使用湿法蚀刻的方法将芯片蚀刻出23˚侧壁倾斜角用于提高光取出效率，此方法目前已形成规模量产。由LED有源层所发出的光，皆为全向性，有部份的光因为折射或反射的关系，沿着水

8、平方向发射出去，这部分光线只是增加光的发散而对元件的发光效率并没有多大帮助，应让光线更多的从正面发射出来。在GaN基LED中，根据斯涅尔定律θ=sin-1(nair/nGaN)(nair=1，nGaN=2.5)，即由公式算出其折射临界角约为23˚，故可以采用H3P04和H2S04混合溶液并利用湿法蚀刻的