发光二极管光取出原理及方法.ppt

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1、2发光二极管光取出原理及方法2.1发光二极管光取出原理电光转换效率(Wall-plugEfficiency)：半导体发光二极管的辐射发光效率，是光的输出功率于输入电流功率之比。Popt:光输出功率；Cex：光取出效率；I与V分别为加在LED两端的电流和电压。因此，在输入功率一定的情况下，要改进电光转换效率就要改进内部量子效率和高的光取出效率。光在产生和辐射过程中的损失一般平面结构的LED都生长在具有光吸收功能的衬底上，以环氧树脂圆顶形封装。这种机构光取出效率可能低至4％左右。原因：一是电流分布不当以及光被材料本身吸收；二是不易从高折射率的半导体传至低折射率的空气影响光取出效

2、率的三个原因1，材料本身的吸收。解决措施：厚的窗口层（windowlayer）或电流分布层使电流均匀分布并增大表面透过率；用电流局限技术（CurrentBlocking）使电流不在电接触区域下通过；用透明或不吸光的材料做衬底或者在活性层下设置反射镜将光反射至表面2，菲涅尔损失：当光从折射率为n1的某种物质到折射率为n2的某种物质时，一部分光会被反射回去。菲涅尔损失系数为若n1=3.4,n2=1,则，也就是70.2％的光可以投射半导体与空气的界面3，全反射损失：只有小于临界角内的光可以完全被射出，其他的光则被反射回内部或吸收。解决措施：一般情况下用环氧树脂做成圆顶（Semis

3、phericalDome），放在LED芯片上，可以大大增加临界角，但是制造成本同时增加一种经济的减少全反射的方法是将p-n结用环氧树脂包封起来，利用模具可以很方便地浇铸成半球形封帽。如下图所示，目前工业化生产地单体发光二极管多采用类似结构2.2增加光取出率的方法增加光取出率，首先要增加内部量子效率，希望能达到99％左右。然后需要改进内部结构以利于电流分布以及减少光吸收。2.2.1增加内部量子效率1、采用最佳活性层对InGaN/GaN量子阱而言,大部分注入电子被俘获并限制在阱层,这些被俘获的电子被电场加速到高能量,使场离化,离化的空穴与电子复合,产生光子.但是那些未被俘获并限

4、制于阱层的电子将形成漏电流.惠普公司采用4个50nm厚的AlInGaN/GaN量子阱，发现其发光效率要比在同等厚度下的非量子阱活性层效率高30％。下图是南昌大学教育部发光材料国家重点实验室制备的InGaN/GaN量子阱，数目为5个Si(111)衬底上的InGaN/GaNMQW的TEM(a)明场像;(b)高分辨像从图中可以看出量子阱为5个周期,且阱(InGaN)和垒(GaN)界面明锐,表明生长的量子阱结构质量良好;图(b)是该样品InGaN/GaNMQW的高分辨像,由于In原子对电子的原子散射因子比Ga原子的大,黑色条纹为阱(InGaN),白色条纹为垒(GaN).从图中观察,

5、阱和垒的厚度较为均匀,由标尺量得阱(InGaN)层厚约为2nm,垒(GaN)层厚约为815nm,外延在异质衬底上的GaN失陪位错和线性位错密度一般位，其他的晶体缺陷包括晶界、堆垛层错，这些缺陷都是非复合中心。会在带隙中引入能量态和降低少数载流子的寿命。缺陷会提高器件的阈值电压和反向漏电流，降低载流子迁移率和热导率。这些不利效应将阻止理想性能的复杂结构的、大面积大功率器件的制备2改进材料的质量2.3改进内部结构1、改善电流分布蓝光LED外延层由沉积在蓝宝石衬底上的N型GaN、InGaN/GaN多量子阱和顶层的P型GaN构成。电子和空穴在作为发光区的量子阱里结合产生光子。光子经

6、过P型的透明或半透明电极，透射出LED器件。GaN和相关的半导体材料被看作是制作蓝光和紫外波段的LED最为合适的材料为提高出光效率和空穴的均匀注入，P型GaN的透明导电薄膜是必不可少的。由于金属薄膜低的透光率和在高注入电流下金的扩散，用传统的金属薄膜作为P型GaN欧姆接触的LED出光效率低、稳定性差。如半透明的Ni/Au薄膜的透光率大约只有60一75%。解决这个问题的一个可行方法是用透明的ITO薄膜代替Ni/Au薄膜作为P性GaN的接触层。ITO具有硬度好、化学性质稳定、导电性好和低的光吸收系数。并且，ITO薄膜和GaN之间附着好。由于这些特性，ITO是很有前途的P型GaN

7、的电极材料。ITO薄膜在可见光波段具有很好的透光率，尤其在波长为460nm处，透光率为95.5%。相比之下，Ni/Au薄膜在460nm波段处，透光率只有60一75%。ITO氧化物其禁带宽度(即能隙)在E=3.5eV，所以可见光(1.6~3.3eV)的能量不足以将价带的电子激发到导带。自由电子在能带间迁移而产生的光吸收，在可见光的范围不会发生，ITO对可见光透明从图3一5中可以看出在高电流时，ITO的P型接触的具有更高的输出光功率和更好的光电转换效率。在驱动电流为20mA时，ITO的P型接触的LED的光输出功率为5m