发光二极管光取出原理及方法2013年最新ledppt课件

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1、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辐射量－－辐射发光效率感光量－－LED发光效率发光效率KLED发光效率光子数与电子空穴复合数之比电子空穴对能量与外部电源功率之比电光转换效率(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。影响光取出效率的三个原因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

2、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（SemisphericalDome），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

3、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增加内部量子效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。一、采用异质结结构LED发光机制PN结注入发光能带图异质结注入发光例如，对于蓝光LED中采用的InGaN-GaN异质结，发光波长在460nm附近时，带隙约为2.7eV，相当于InGaN的禁带宽度。发光区（Eg2较小）发射的光子，其能量hv小于Eg1，进入p区后不会引起本征吸收，即禁带宽度较

4、大的p区对这些光子是透明的。二、采用最佳活性层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,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势

5、阱沿z方向很窄，电子在z方向被局限在几个到几十个原子层范围的量子阱中，能量发生量子化，产生分立能级。电子在分立能级之间跃迁而辐射发光。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％。2.3改进内部结构，提高发光效率一、改善电流分布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属的扩散，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

6、的ITO（铟锡氧化物）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对可见光透明二、生长分

7、布布喇格反射层（DBR）结构DBR（distributedbraggreflector）结构早在20世纪80年代R.D.Burnham等人提出，如图1所示。它是两种折射率不同的材料周期交替生长的层状结构，厚度一般为波长的1/4，它在有源层和衬底之间，能够将射向衬底的光反射回表面或侧面，可以减少衬底对光的吸收，提高出光效率.DBR结构直接利用MOCVD设备（金属有机化学气相沉积系统）进行生长，无须再次加工处理。布喇格光栅的原理布喇格光栅的原理是由于折射率周期变化造成波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式祸合，使得其透射光谱和反射光