發(fā)光二極管光取出原理

1、發(fā)光二極管光取出原理半導體 發(fā)光二極管 的輻射發(fā)光效率( Radiant Efficiency,R)又被稱為電光轉(zhuǎn)換效率( Wall-Plug Efficiency,WP)，是光輸出功率與光輸入功率之比。式中， ext 是外部量子效率( External Quantum Efficiency )； v 是電壓效率。因為外部 量子效率等于內(nèi)部量子效率( Internal Quantum Efficiency, int )乘以光取出效率(Extraction Efficiency，Cex )，所以內(nèi)部量子效率是光子數(shù)與 電子 空穴復合數(shù)之比，因此其中， Popt為光輸出功率； I 為電流； V為電

2、壓； h為普朗克常數(shù)； f 為頻率( Frequency )； q 為電荷量。一般 v的范圍是 0.750.97 ，要增加 v就是要減少 電阻及電壓與臨界電流，而電 阻則與 LEDpn結(jié)中的 p 層雜質(zhì)分布及電接觸有關。所以在進入功率 IV 一定時， 要改進 w p就要改進內(nèi)部量子效率以得到高的Popt 以及高的光取出效率。 而這里主要的目的就是介紹怎樣增加光取出效率以得到高亮度、 高效率的 LED。一般 LED都以平面結(jié)構生長在有光吸收 ( Absorbing )功能的襯底上， 上面以環(huán)氧樹 脂圓頂形( Epoxy Dome)封裝，這種結(jié)構的光取出效率非常低，僅為4%左右，而質(zhì)量好的雙異質(zhì)結(jié)

3、構的內(nèi)部量子效率可高達99%，所以只有一小部分的光被放出，主要原因有：一是電流分布不當以及光被材料本身所吸收； 二是光不易從高折射率 (Refractive Index) 的半導 體傳至低折射率的外圍空氣( n=1)。LED的發(fā)光是由 pn 結(jié)中的活性層產(chǎn)生， 其外部量子效率是內(nèi)部量子效率乘以光取出效率 Cex，而 Cex 則有三種不同的光損失機制，由于材料本身的吸收而產(chǎn)生損失A、菲涅耳(Fresnel )損失 Fr及全反射角( Critical Angle )損失 c r，所以要減少因材料本身的吸收以及電流分布不當而產(chǎn)生的損失，應該要有厚的窗口層( Window Layer )或電流分布層使

4、電流能均勻分布并增大表面透過率；用電流局限( Current Blocking )技術使電流不在電接觸區(qū)域下通過；用透明、不吸收光材料作襯底( Substrate )或者在活性層下設置反射鏡將反射至表面。當光從折射率為 n1 的某一物質(zhì)到折射率為 n2的另一物質(zhì)時， 一部分的光會被反射回 去，這種損失稱作菲涅耳損失。一般反射系數(shù)R 為而透射系數(shù)( Transmission Coefficient)T 為將此式除以 n1n2，那么菲涅耳損失系數(shù) Fr 為如果光由半導體( n1=3.4 )射至空氣( n2=1)，那么 Fr=0.702 ，也就是 70.2%的光可以透射半導體與空氣的界面。假如半導體

5、表面可以涂上一層材料，其折射率，那么Fr=0.832 ，透射率增加了18.5%。假若用樹脂材料(n x =1.5) ，則 Fr =0.816 ，也可以增加 16.2%透射率。全反射角損失是由于斯涅耳定律的關系n1sin 1=n2sin 2只有小于臨界角( Critical Angle )c 內(nèi)的光可以完成被射出，其他的光則被反射回內(nèi)部 或吸收，而此臨界角是如果 n1=3.4 ，n2=1，則 c=17°，如圖 1(a) 所示，所以只有在頂角為 2 c的圓錐體 內(nèi)的光才可以被放出，如圖 1(b) 所示，其他的光被反射回去。也就是說，只有2 c=34°圓錐體( Cone)中的光可

6、“脫逃”至空氣中。臨界角損失系數(shù)由cr 下式表示：為了減少臨界角損失，一種方法就是將半導體做成球形，當然這不合實際，另一種 方法是做成半圓形圓頂 ( Semispherical Dome)，但是會增加成本。 如果用一個半圓形透鏡， 則透鏡的折射率要和半導體相同，如果透境的折射率是 n x，而半導體的折射率為 n1，那么 光的損失就是 。目前 LED大部分是用環(huán)氧樹脂做成圓頂，放在LED芯片上，如圖2所示，可以將臨界角 c增加至 26°，cr 也增加至 0.195 。如果比較 LED芯片與 LED燈的 發(fā)光效率，則所以可以獲得 2.61 倍的改進。LED 芯片本身發(fā)光效率與其結(jié)構有很大

7、的關第，一般芯片多做成正方形。F.A.Kish等人研究光取出現(xiàn)象時以 2c角寬的圓錐形表示可以“逃脫”的光，有如圖3 所示的四種不同結(jié)構。圖 3(a) 是用薄的窗口層加上有光吸收的襯底，射出的光只有上面是小圓錐，但 是如果窗口層被加厚則可得到圖3( b)所示的情形。除了上面的圓錐，四周尚有四個半圓錐的光可以射出， 如果如圖 3(c) 所示在襯底上有分布式布拉格反射 ( DBR：Distributed Bragg Reflector )鏡，等于增加了下面的光射出。最好的情況是如圖 3(d) 所示用厚的窗口層加上 透明襯底，這樣窗口屋的上、下及四周均有光射出，等于有六個圓錐的光可以射出。般光射出效率可以由下式表示：式中，ns為半導體材料的折射率； n e為外面材料的折射率。 例如，空氣 n e=1，環(huán)氧樹脂 n e=1.5 ， 用 AlGaInP 材料 ns約為 3.4 ，如果 n e為-1.5 ，則 nopt 約為 25%/用 CaN材料 ns 約為 2.5 ，則 nopt 約為 29%。圖 4(a) 所示是惠普公司的 ALGaInP LED的剖面結(jié)構示意圖， 上面有厚的 CaP窗口層 下面有厚的 n-GaP 與活性層連接，所以