提高发光二极管(led)外量子效率的途径
提升外量子效率的LED芯片结构技术探讨
Hale Waihona Puke 提升外量子效率的 Ｌ Ｅ Ｄ 芯片结构技术探讨
廉大桢 王社教 ． 杨 建科 李建婷 陈 堪
（ 西京 电气总公司 ，陕西 西安 ７ １ ０ ０ ６ ５）
的导热系数约 １ ２ Ｏ Ｗ ／ Ｉ Ｉ ｌ Ｉ （ ，传统正装 芯片蓝宝石导热系数约 ２ ０ Ｗ ／ ｍ Ｋ 。 倒装 结构的导热系数 明显优 于正装 结构 芯片，因此可 以有效增大输 出功率 降低热 阻同时合理提高 Ｌ Ｅ Ｄ的可靠性 。通常来说倒装芯片技 术的应用可 以使 Ｌ Ｅ Ｄ的外量子效率提升 ２ １ ％ 左右 ，并且功率转换效 率提升大约 ２ ０ ％ 。 【 关键词 】 Ｌ Ｅ Ｄ；外量子 ；效率提 升 ３垂直结构芯片技术 发光二级管于１ ９ ６ ０ 年被研制出并投入商业生产 ，是一种利用固 目前Ｌ Ｅ Ｄ 大多在蓝宝 石衬底上外延获得 ， 蓝宝石尽管有较高 的透 体直接发光的绿色光源 ，具有体积小 、重量 轻、寿命长、可靠性高 、 光率，但热传 导性能很差 ，受蓝宝石衬底 电绝缘特性的影响，传统 高响应速度、抗震性好 、光效高、节能、防爆等优越性。是二十世 平面结构Ｇ ａ Ｎ 基Ｌ Ｅ Ｄ 通常采用 台面结构实现 电流的侧 向注入 。 这就造 纪微 电子技术、光 电子技术和新材料技术的产物 ，引领 了二十一世 成Ｌ Ｅ Ｄ 芯片 内部电流分布一致性较差，局部区域 电流过大，影响器 纪光源和照 明革命 。 随着Ｌ Ｅ Ｄ 整体水平的不断发 展， 在人们 的日常生 件 电学、光学特 性及长期 可靠性 。而垂直结构可 以有效解决正装结 活 中发光二极管得到 了更加广泛 的应用 。 随着红黄绿蓝Ｌ Ｅ Ｄ 在 图像显 构Ｌ Ｅ Ｄ 存在的问题，它通 过晶片键合 以及蓝宝石衬底激光剥离，将 示 、信号指示 、普通照 明、基础研究等方面 的应用 ，及紫光 、紫外 Ｇ ａ Ｎ 外层转移至Ｃ ｕ 、Ｓ ｉ 等具有 良好导 电、导热特性 的衬底材料上，在 Ｌ Ｅ Ｄ 在验钞 、光固化 、现代 农业等方面 的应用 ，人们对Ｌ Ｅ Ｄ 亮度和光 很大程度上提高了散热 效率。 垂直结构 的Ｌ Ｅ Ｄ 芯片的两个 电极分别在 效不断提升 的要求越来越迫切 ， 因此Ｌ Ｅ Ｄ ＃ ￣ 量子效率 的提升也得到 了 Ｌ Ｅ Ｄ 外延层 的两侧，通过图形化 的ｎ 电极 ，使得 电流几乎全部垂直流 越来越多专业人 士和企业 的重 视与关注 。以下通过对Ｄ Ｂ Ｒ 结构、 倒装 过Ｌ Ｅ Ｄ ￣ Ｆ 延层，横 向流动 的电流极少 ，可以避免 正装结构 的电流拥挤 芯片技术 、 垂直结构芯片技术进行分析 ， 仅对Ｌ Ｅ Ｄ 芯片外量 子效率提 问题 ，提高发光效率，同时也解决了Ｐ 极的遮光 问题 ，提升Ｌ Ｅ Ｄ 的发 升进行 了研究 。 光面积 ，使器件效率进～步提高。 １ ＯＢ Ｒ结 构 衬底激光剥离是垂直结构芯片技术中的关键 核心技 术之一 ，激 Ｄ Ｂ Ｒ（ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｅ ｄ Ｂ ｒ ａ ｇ ｇ ｒ ｅ ｆ ｌ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ） 结构是在２ Ｏ 世纪８ Ｏ 年代出 光剥离是利用Ｇ ａ Ｎ 材料对一定波长紫外光线的带边 吸收，利用Ｇ ａ Ｎ 材 现 的Ｌ Ｅ Ｄ 外量子效率提升结构 。通常来说Ｄ Ｂ Ｒ 结构是 由两种 折射 率完 料高温分解特性及Ｇ ａ Ｎ 与蓝宝石间的带隙差，采用 光子能量大于Ｇ ａ Ｎ 全 不同的材料进 行周期交替从而生长成的层 状结构。 Ｄ Ｂ Ｒ 结构一般 处 带隙而小于蓝宝石带隙 的紫外脉冲激光，透过蓝宝石衬底辐 照Ｇ ａ Ｎ 于正装结构 的Ｌ Ｅ Ｄ 的源层 和衬底之 间并且能够有效将射 向衬底 的光 材料 ， 在其界面处产生强烈吸收 ， 使局部温 度升高， Ｇ ａ Ｎ 气化分解为 在 表面 或者侧 面进行反射 ，从而在很大程度 上减 少了衬底 对光 的吸 金属镓和氮气 ，实现蓝宝石衬底剥离 。要做到成功的剥离，做 到剥 收并同时合理提 高出光效率。除此之外 ，Ｄ Ｂ Ｒ结构在Ｌ Ｅ Ｄ 中的应用可 离表面完整且平整 ，Ｇ ａ Ｎ 不脱落 ，使后续工艺正常进行，需研 究合适 以促进 金属有机化学气相沉积发法 的直接利 用，即这种 方法的有效 的激光源波长和 能流密度 、激光先扫描步进、光斑定位等方面的工 利用可 以减少Ｌ Ｅ Ｄ 的加工处 理次数 。 由于Ｄ Ｂ Ｒ结构通常 由交替的多 艺条件 。选择合适 的能量密度 ，使高温区集 中于界面附近是实现高 层高折 射率和低折射率材料相 互组 成并且每层的光学厚度均为发射 效、低损伤激光剥离 的重要 因素 ；另外 ，激光束的准直 以及激光光 波长的ｉ ／ ４ 。 因此当Ｄ Ｂ Ｒ 结构为２ ｐ ＋ ｌ层时其反射率和结构为２ ｐ 层的反 斑的均匀性 是实现成功剥离 的保证 。 射率是完全不 同的。除此之外 ，复 合型Ｄ Ｂ Ｒ 结构在Ｌ Ｅ Ｄ 中的应用可以 通常在相 同电流 驱动下 ，垂直 结构与正装结构相 比，会使 出光 促进其 出光效率较常规Ｄ Ｂ Ｒ可 以提高约３ ５ ％ 左 右并且配合其他 优化 效率提高一倍 以上 ，使Ｌ Ｅ Ｄ 的散热能力提高４ 倍左右 。另外 ，垂直结 结构可 以使复合Ｄ Ｂ Ｒ 结构对Ｌ Ｅ Ｄ光提取效率的改善效果会更为 明显 构Ｌ 印能够保证在一定的发光效率 的前提下 ，采用较大 的电流去驱 从而具有很好的成本优势， 因此现今 已经广泛应用于商业生产 中。 动，这样一个垂直结构Ｌ Ｅ Ｄ 芯片可 以相当于几个正装结构芯片，折合 ２ 倒 装 芯 片 技 术 成本只有正装结构的几分 之一。Ｇ ａ Ｎ基Ｌ Ｅ Ｄ的器件结构，主要经历 倒装芯片技术是提升 Ｌ Ｅ Ｄ外量子效率 的重要技术 。通常来说在 了正装结构、倒装结构， 以及 目前广 为国际上重视 的垂直结构三个 Ｌ Ｅ Ｄ的运行 过程 中由于 Ｐ型 Ｇ ａ Ｎ的电导率往往较低 ，因此为 了更好 主要阶段 。本质上讲，前两种器件 结构——倒装 结构 、正装 结构均 地满足 电流扩展 的要求 ，通 常会需 要在 Ｐ 区表面 形成一层金属 电极 没有摆脱蓝宝石衬底对器件结构设计的束 缚。 ２ ０ ０ ４ 年开始， 垂直 结 层 。并且 为了获得好 的电流扩展 Ｐ区表面 形成 的金属 电极层不 能太 构得到了人们的广泛关注，垂直结构通过热压键合 、 激光 剥离 （ Ｌ Ｌ Ｏ ） 薄 ，但 如 果太 厚 则会 对 Ｌ Ｅ Ｄ的 发 光 效率 造 成较 大 影 响 ， 因此 在 这 一 等工艺，将Ｇ ａ Ｒ外延结构从蓝宝石 转移 ￣ ， Ｉ Ｃ ｕ 、Ｓ ｉ等具有 良好电、热 过程 中关键环 节就是兼顾 电流扩展与出光效率两个因素 。因此倒装 传导特性 的衬底材料上，器件 电极上下垂直 分布，从而彻底解 决了 芯片技术 的采用 可以有效的对这一环节进行处理 并对存在 的问题进 正装 、倒装结构Ｇ ａ Ｎ基Ｌ Ｅ Ｄ器件 中因为电极平面分布、电流侧 向注 行合理解 决。倒装技术之所 以被称 为 “ 倒装 ”是相对 于传统 的金属 入导致的诸如散热 、电流分布不均匀、可靠性等一系列问题。因此， 线键合连 接方 式而言的 。传统 的通过金属线键合 与基板连接 的晶片 垂直结构也被称为是继正装、 倒装之后的第三代Ｇ ａ Ｎ基Ｌ Ｅ Ｄ 器件结构，
提高GaN基发光二极管外量子效率的途径
2010年第3期中国照明电器CHINA LIGHT＆LIGHTING15提高GaN基发光二极管外量子效率的途径李为军（国家电光源质量监督检验中心（上海）、国家灯具质量监督检验中心、上海时代之光照明电器检测有限公司，上海200233）摘要发光二极管（LED）的低外量子效率严重制约了LED的发展，本文主要介绍了提高GaN基LED 外量子效率途径的最新进展，包括芯片非极性面/半极性面生长技术、分布布拉格反射层（DBR）结构、改变LED基底几何外形来改变光在LED内部反射的路径、表面粗化处理，以及新近的光子晶体技术和全息技术等。
并对纳米压印与SU8相结合技术在提高LED外量子光效率方面进行了初步探索。
关键词外量子效率芯片非极性面/半极性面生长技术分布布拉格反射层（DBR）结构光子晶体技术和全息技术纳米压印技术与SU8技术Improvement of the External Quantum Efficiency of GaN－based LEDsLi Weijun（National Light Source Quality Supervision Testing Center（Shanghai），China National Lighting Fitting Quality Supervision Testing Center，Shanghai Alpha Lighting Equipment Testing Ltd.，Shanghai200233）Abstract：The low external quantum efficiency ties up the development of LEDs.This article mainly introduces recent research progress of increasing the external quantum efficiency of GaN-based LEDs.The ways of improvement mainly include that micro-surface roughening，micro-pattern substrates and distributed Bragg reflector（DBR）structure.Of course，recent methods，for example，non-polar or semi-polar plane growth technology，photonic crystal and holography technology are also discussed.At the same time，preliminary study on the combination of nano-imprint lithography and SU8technology is also noted in this paper.Key words：external quantum efficiency；non-polar or semi-polar plane growth technology；distributed Bragg reflector（DBR）structure；photonic crystal and holography technology；nano-imprint lithography and SU8technology1GaN基LED发展的历史和研究现状20世纪90年代中期，日本日亚化学公司的Nakamura等人经过不懈努力，突破了制造蓝光LED 的关键技术。
提高led发光效率的方法
提高led发光效率的方法
LED作为一种高效节能的光源，被广泛应用于各个领域。
然而，LED 发光效率的提高仍然是一个重要的研究方向。
以下是提高LED发光效率的方法：
一、优化材料
1.选择高质量的材料：选择纯度高、结晶度好、缺陷少的材料，如GaN、InGaN等。
2.控制材料生长方式：采用MOCVD等先进生长技术，在控制生长条件和过程中，可以得到更优质的材料。
3.掺杂：在LED芯片中加入适量的掺杂剂，可以增加载流子密度，提高电子-空穴复合率，从而提高发光效率。
二、改进结构设计
1.优化电极结构：采用金属反射层等技术，在电极表面形成反射层，增强反射，并减少损耗。
2.优化外部量子效率：在芯片表面添加抗反射涂层或纳米柱阵列等结构，可以增强外部量子效率，并减少光线反射和散射。
3.调整发光波长：通过调节芯片中InGaN中In含量比例，可以实现发光波长的调整，从而提高发光效率。
三、改进制造工艺
1.优化晶体生长：采用先进的晶体生长技术，如HVPE等，可以得到
更优质的晶体材料。
2.优化制造工艺：采用干法蚀刻或湿法蚀刻等制造工艺，可以得到更加精细的结构和更高的发光效率。
3.改善封装技术：采用先进的封装技术，如SMT等，可以提高LED芯片的亮度和稳定性，并延长使用寿命。
综上所述，通过优化材料、改进结构设计和改进制造工艺等方法，可
以有效提高LED发光效率。
在实际应用中，还需要根据具体情况进行
选择和调整。
提高LED发光效率的六种技术
提高LED发光效率的六种技术由于全反射等因素，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。
下文将重点介绍提高LED发光效率的六种技术。
1)透明衬底技术InGaAlP LED通常是在GaAs衬底上外延生长InGaAlP发光区GaP窗口区制备而成。
与InGaAlP相比，GaAs材料具有小得多的禁带宽度，因此，当短波长的光从发光区与窗口表面射入GaAs衬底时，将被悉数吸收，成为器件出光效率不高的主要原因。
在衬底与限制层之间生长一个布喇格反射区，能将垂直射向衬底的光反射回发光区或窗口，部分改善了器件的出光特性。
一个更为有效的方法是先去除GaAs衬底，代之于全透明的GaP晶体。
由于芯片内除去了衬底吸收区，使量子效率从4%提升到了25-30%。
为进一步减小电极区的吸收，有人将这种透明衬底型的InGaAlP器件制作成截角倒锥体的外形，使量子效率有了更大的提高。
2)金属膜反射技术透明衬底制程首先起源于美国的HP、Lumileds等公司，金属膜反射法主要有日本、台湾厂商进行了大量的研究与发展。
这种制程不但回避了透明衬底专利，而且，更利于规模生产。
其效果可以说与透明衬底法具有异曲同工之妙。
该制程通常谓之MB 制程，首先去除GaAs衬底，然后在其表面与Si基底表面同时蒸镀Al质金属膜，然后在一定的温度与压力下熔接在一起。
如此，从发光层照射到基板的光线被Al质金属膜层反射至芯片表面，从而使器件的发光效率提高2.5倍以上。
3)表面微结构技术表面微结构制程是提高器件出光效率的又一个有效技术，该技术的基本要点是在芯片表面刻蚀大量尺寸为光波长量级的小结构，每个结构呈截角四面体状，如此不但扩展了出光面积，而且改变了光在芯片表面处的折射方向，从而使透光效率明显提高。
测量指出，对于窗口层厚度为20μm的器件，出光效率可增长30%。
提高LED出光效率的几个途径
2、提高LED出光效率的几个途径(1)透明衬底技术InGaAlP LED通常是在GaAs衬底上外延生长InGaAlP发光区GaP窗口区制备而成.与InGa AlP相比,GaAs材料具有小得多的禁带宽度,因此,当短波长的光从发光区与窗口表面射入GaAs衬底时,将被悉数吸收,成为器件出光效率不高的主要原因.在衬底与限制层之间生长一个布喇格反射区,能将垂直射向衬底的光反射回发光区或窗口,部分改善了器件的出光特性.一个更为有效的方法是先去除GaAs衬底,代之于全透明的GaP晶体.由于芯片内除去了衬底吸收区,使量子效率从4%提升到了25-30%.三年前,为进一步减小电极区的吸收,有人将这种透明衬底型的InGaAlP器件制作成截角倒锥体的外形,使量子效率有了更大的提高,如图9所示.显然,这种截角倒锥体形状的器件使透光面积增得更大,在红光区,这类器件的外量子效率可超过50%.图10指出了各类器件的光通量与正向电流的关系,明显表明了三类器件光通量的差异.对于吸收衬底的器件,由于量子效率很低,极大部分的输入能量变成了热,在很小的正向电流下,器件的结温就升得很高,使光通量迅速下降.透明衬底的LED器件,由于相当一部分输入电能变成了光能,相对地减少了升温效应,使器件可在大得多的电流状态下工作.(2)金属膜反射技术如果说透明衬底工艺首先起源于美国的HP、Lumileds等公司,那么金属膜反射法主要被日本、台湾等地的一些公司进行了大量的研究与发展.这种工艺不但回避了透明衬底专利,而且,更利于规模生产.其效果可以说与透明衬底法具有异曲同工之妙.该工艺通常谓之MB工艺,其基本要点如图11所示.首先去除GaAs衬底,然后在其表面与Si基底表面同时蒸镀Al质金属膜,然后在一定的温度与压力下熔接在一起.如此,从发光层照射到基板的光线被Al质金属膜层反射至芯片表面,从而使器件的发光效率提高2.5倍以上.实验证明,MB型红色LED,当电流为400mA与800mA时,光通量可分别达到37lm与74lm.该类器件已在日本三肯电气、台湾国联、全新等公司进入小批量生产.与传统器件相比,光效得到了大幅度提高.除MB结构的器件外,台湾国联还开发了一种谓之GB型的高亮度InGaAlP LED的新一代器件.所谓GB是英文Giga Bright的缩写.该工艺是采用一种新型的透明膠,将具有GaAs吸收衬底的LED外延片与一片蓝宝石基板粘合在一起,随后再将GaAs吸收衬底去除,并在外延层上制作电极,从而获得了很高的发光效率.(3)表面微结构技术表面微结构工艺是提高器件出光效率的又一个有效技术,该技术的基本要点是在芯片表面刻蚀大量尺寸为光波长量级的小结构,每个结构呈截角四面体状,如此不但扩展了出光面积,而且改变了光在芯片表面处的折射方向,从而使透光效率明显提高.图12指出了在具有纹理结构LED芯片的N种出光模式,由于纹理边缘的存在,使许多本来大于临界角的光可通过边缘部位的反射或折射透射出器件表面.显然,表面处纹理结构的存在,在出光机理上等同于大幅度增加了窗口层的厚度.窗口层的厚度越薄,纹理腐蚀得越深,则出光率的增加将越明显.测量指出,对于窗口层厚度为2 0µm的器件,出光效率可增长30%.当窗口层厚度减至10µm时,出光效率将有60%的改进.对于5 85-625nm波长的LED器件,制作纹理结构后,发光效率可达30lm/w,其值已接近透明衬底器件的水平.(4)倒装芯片技术通常兰绿光及白光LED的结构如图13所示.通过MOCVD技术在兰宝石衬底上生长GaN基L ED结构层,由P/N结发光区发出的光透过上面的P型区射出.由于P型GaN传导性能不佳,为获得良好的电流扩展,需要通过蒸镀技术在P区表面形成一层Ni-Au组成的金属电极层.P区引线通过该层金属薄膜引出.为获得好的电流扩展,Ni-Au金属电极层就不能太薄.为此,器件的发光效率就会受到很大影响,通常要同时兼顾电流扩展与出光效率二个因素.但无论在什么情况下,金属薄膜的存在,总会使透光性能变差.此外,引线焊点的存在也使器件的出光效率受到影响.采用GaN LED倒装芯片的结构可以从根本上消除上面的问题,如图14所示.由于芯片倒装于Si基垫上,LED发出的光直接透过兰宝石射出,不存在上述的Ni-Au金属膜与引线电极,因此出射的光没有损失,加上下面P-GaN层上蒸镀有Ag反射膜,进一步增强了出射光的强度.图15指出了兰绿光LED的量子效率随峰值波长的变化.实验指出,在450~530nm的峰值波长区域,倒装功率型L ED器件的量子效率要比普通型器件高出1.6倍.3、LED散热机制的分析正如上述,对于一个常规的LED器件,90%以上的输入功率将转换成热.为使器件能维持一个合适的温度,正常工作,这些热量必须通过管壳基板等媒介散发到周围环境中去.通常将二个节点间单位热功率输运所产生的温度差定义为该二个节点间的热阻,其数学表达式为:Rθ=ΔT/PD (9)其中Rθ为节点1与2之间的热阻,ΔT为节点1与2之间的温差,PD为二点间的热功率流.热阻Rθ表示了二点间的热散失能力,Rθ越大,散热能力越差;反之Rθ越小,散热能力越强.当电功率V=VF•IF施加到LED上后,在器件的P-N结处将产生大量的热,致使芯片温度迅速升高,由于器件良好的散热特性,大部分热量将通过银浆、管壳、散热基板,PCB散发到周围环境中去,从而抑制了器件芯片的升温.类同于电学中的电阻特性,热阻也存在着相同的运算法则,当n个LED安装于同一块基板上时,其热流图如图17所示.图中Tj、Tc与TB分别代表了某个LED管的P-N结区,管壳与基板处的温度、RθJ-C、RθC-B、RθB-A分别代表P-N结与管壳、管壳与基板、基板与环境之间的热阻,那么,该LED列阵的总热阻可表示为:RθJ-A= RθJ-C + RθC-B +RθB-A (10)其中,1/ΣRθJ-C=Σ(1/ RθJ-C),1/ΣRθC-B=Σ(1/ RθC-B),上式满足的基本条件是阵列中所有LE D具有完全相同的参数.热阻Rθ是LED的一个重要参量,当我们知道了某一器件的热阻的Rθ数值,那么根据式(9),即可求得LED的结温:Tj=TA+PDRθJ-A (11)其中Tj为器件的P-N结温,TA为环境温度,PD=I•V为器件的耗散功率,RθJ-A为器件P-N结与环境之间的热阻.显然,LED的热阻将严重影响器件的使用条件与性能,图18指出了不同热阻值的器件的最大正向电流与环境温度的关系,由图可见,当热阻较小时,光通量几乎与正向电流成正比例增加,当热阻较大时,由于P-N结温的上升,当正向电流加大到某值时,光通量将趋于饱和,并随之逐渐下降.对于一个LED管,设法降低P-N结与采用环境之间的热阻是提高器件散热能力的根本途径.由于环氧胶是低热导材料,因此P-N结处产生的热量很难通过透明环氧向上散失到环境中去,大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘接层、PCB与热沉向下发散.显然,相关材料的导热能力将直接影响器件的热散失效率.表9与表10指出了若干常用衬底与热沉材料的导热系数值,银浆与环氧的数据未在表中列出.他们的导热系数值分别为2.7与0.2~0.8(w/mk).实验指出,对于一个普通型(Φ5)的LED,从P-N结区环境温度的总热阻在300~600˚C/w之间;对于一个具有良好结构的功率型L ED器件,其总热阻约为15~30˚C/w.巨大的热阻差异表明普通型器件只能在很小的输入功率条件下,才能正常地工作,而功率型器件的耗散功率可大到瓦级甚至更高.四、减小LED温升效应的对策LED的输入功率是器件热效应的唯一来源,能量的一部分变成了辐射光能,其余部分最终均变成了热,从而抬升了器件的温度.显然,减小LED温升效应的主要方法,一是设法提高器件的电光转换效率(又称外量子效率),使尽可能多的输入功率转变成光能,另一个重要的途径是设法提高器件的热散失能力,使结温产生的热,通过各种途径散发到周围环境中去.1、LED器件的量子效率所谓LED器件的量子效率,即是器件的电能转换成光能的能力,通常可将这种电光转换能力定义为外量子效率ηex,它是器件的注入效率ηJ、内量子效率ηi、电子输运效率ηf和出光效率ηo 的总和.ηex=ηJ•ηi•ηf•ηo (6)对于InGaAlP与InGaN LED器件中,由于P-N结二边的禁带宽度Eg与掺杂浓度均有一个较大差异,通常ηJ 1;由于器件发光区等结构,一切外延生长形成,发光区的P-N结为突变结,电子输运效率也接近于1.此外,鉴于当前InGaAlP与InGaN的器件结构与生长工艺十分成熟,实践证明,现代技术已足够使内量子效率提高到接近100%的水平.因此,LED器件的外量子效率主要取决于出光效率ηo,如将管芯看作是一个吸收系数为α,体积为v,被面积为Ai的N个面所包围的光学腔,那么该管芯的出光效率可表示为:ηN=ΣAiTi /〔Σ(1-Ri)Ai+4αv〕 (7)这里,Ti与Ri分别是Ai的透过率与反射率.对于一个实际的LED管芯,计算表明,芯片表面很小的透过率是LED器件出光效率变得很小的主要原因.其起因是由于芯片表面二侧物质所存在的较大的折射率差异,如图8所示,当芯片内的光沿方面1射向表面并沿方向2射入空气,根据折射定律:n1Sinθ1= n2Sinθ2 (8)通常芯片材料的折射率n1≈3.6,空气的折射率n2=1.可算得界面处发生全反射(θ2=90˚)的临界角θ1=θ0=16.2˚,也就是说,从芯片内部射向表面的光束,只有4%可以射出表面,其余的光能大部分反射回芯片材料内部而被(衬底)吸收.2、提高LED出光效率的几个途径(1)透明衬底技术InGaAlP LED通常是在GaAs衬底上外延生长InGaAlP发光区GaP窗口区制备而成.与InGaAlP相比,GaAs材料具有小得多的禁带宽度,因此,当短波长的光从发光区与窗口表面射入GaAs衬底时,将被悉数吸收,成为器件出光效率不高的主要原因.在衬底与限制层之间生长一个布喇格反射区,能将垂直射向衬底的光反射回发光区或窗口,部分改善了器件的出光特性.一个更为有效的方法是先去除GaAs衬底,代之于全透明的GaP晶体.由于芯片内除去了衬底吸收区,使量子效率从4%提升到了25-30%.三年前,为进一步减小电极区的吸收,有人将这种透明衬底型的InGaAlP器件制作成截角倒锥体的外形,使量子效率有了更大的提高,如图9所示.显然,这种截角倒锥体形状的器件使透光面积增得更大,在红光区,这类器件的外量子效率可超过50%.图10指出了各类器件的光通量与正向电流的关系,明显表明了三类器件光通量的差异.对于吸收衬底的器件,由于量子效率很低,极大部分的输入能量变成了热,在很小的正向电流下,器件的结温就升得很高,使光通量迅速下降.透明衬底的LED器件,由于相当一部分输入电能变成了光能,相对地减少了升温效应,使器件可在大得多的电流状态下工作.(2)金属膜反射技术如果说透明衬底工艺首先起源于美国的HP、Lumileds等公司,那么金属膜反射法主要被日本、台湾等地的一些公司进行了大量的研究与发展.这种工艺不但回避了透明衬底专利,而且,更利于规模生产.其效果可以说与透明衬底法具有异曲同工之妙.该工艺通常谓之MB工艺,其基本要点如图11所示.首先去除GaAs衬底,然后在其表面与Si基底表面同时蒸镀Al质金属膜,然后在一定的温度与压力下熔接在一起.如此,从发光层照射到基板的光线被Al质金属膜层反射至芯片表面,从而使器件的发光效率提高2.5倍以上.实验证明,MB型红色LED,当电流为400mA与800mA时,光通量可分别达到37lm与74lm.该类器件已在日本三肯电气、台湾国联、全新等公司进入小批量生产.与传统器件相比,光效得到了大幅度提高.除MB结构的器件外,台湾国联还开发了一种谓之GB型的高亮度InGaAlP LED的新一代器件.所谓GB是英文Giga Bright的缩写.该工艺是采用一种新型的透明膠,将具有GaAs吸收衬底的LED外延片与一片蓝宝石基板粘合在一起,随后再将GaAs吸收衬底去除,并在外延层上制作电极,从而获得了很高的发光效率.(3)表面微结构技术表面微结构工艺是提高器件出光效率的又一个有效技术,该技术的基本要点是在芯片表面刻蚀大量尺寸为光波长量级的小结构,每个结构呈截角四面体状,如此不但扩展了出光面积,而且改变了光在芯片表面处的折射方向,从而使透光效率明显提高.图12指出了在具有纹理结构LED芯片的N种出光模式,由于纹理边缘的存在,使许多本来大于临界角的光可通过边缘部位的反射或折射透射出器件表面.显然,表面处纹理结构的存在,在出光机理上等同于大幅度增加了窗口层的厚度.窗口层的厚度越薄,纹理腐蚀得越深,则出光率的增加将越明显.测量指出,对于窗口层厚度为2 0µm的器件,出光效率可增长30%.当窗口层厚度减至10µm时,出光效率将有60%的改进.对于5 85-625nm波长的LED器件,制作纹理结构后,发光效率可达30lm/w,其值已接近透明衬底器件的水平.(4)倒装芯片技术通常兰绿光及白光LED的结构如图13所示.通过MOCVD技术在兰宝石衬底上生长GaN基L ED结构层,由P/N结发光区发出的光透过上面的P型区射出.由于P型GaN传导性能不佳,为获得良好的电流扩展,需要通过蒸镀技术在P区表面形成一层Ni-Au组成的金属电极层.P区引线通过该层金属薄膜引出.为获得好的电流扩展,Ni-Au金属电极层就不能太薄.为此,器件的发光效率就会受到很大影响,通常要同时兼顾电流扩展与出光效率二个因素.但无论在什么情况下,金属薄膜的存在,总会使透光性能变差.此外,引线焊点的存在也使器件的出光效率受到影响.采用GaN LED倒装芯片的结构可以从根本上消除上面的问题,如图14所示.由于芯片倒装于Si基垫上,LED发出的光直接透过兰宝石射出,不存在上述的Ni-Au金属膜与引线电极,因此出射的光没有损失,加上下面P-GaN层上蒸镀有Ag反射膜,进一步增强了出射光的强度.图15指出了兰绿光LED的量子效率随峰值波长的变化.实验指出,在450~530nm的峰值波长区域,倒装功率型L ED器件的量子效率要比普通型器件高出1.6倍.3、LED散热机制的分析正如上述,对于一个常规的LED器件,90%以上的输入功率将转换成热.为使器件能维持一个合适的温度,正常工作,这些热量必须通过管壳基板等媒介散发到周围环境中去.通常将二个节点间单位热功率输运所产生的温度差定义为该二个节点间的热阻,其数学表达式为:Rθ=ΔT/PD (9)其中Rθ为节点1与2之间的热阻,ΔT为节点1与2之间的温差,PD为二点间的热功率流.热阻Rθ表示了二点间的热散失能力,Rθ越大,散热能力越差;反之Rθ越小,散热能力越强.当电功率V=VF•IF施加到LED上后,在器件的P-N结处将产生大量的热,致使芯片温度迅速升高,由于器件良好的散热特性,大部分热量将通过银浆、管壳、散热基板,PCB散发到周围环境中去,从而抑制了器件芯片的升温.类同于电学中的电阻特性,热阻也存在着相同的运算法则,当n个LED安装于同一块基板上时,其热流图如图17所示.图中Tj、Tc与TB分别代表了某个LED管的P-N结区,管壳与基板处的温度、RθJ-C、RθC-B、RθB-A分别代表P-N结与管壳、管壳与基板、基板与环境之间的热阻,那么,该LED列阵的总热阻可表示为:RθJ-A= RθJ-C + RθC-B +RθB-A (10)其中,1/ΣRθJ-C=Σ(1/ RθJ-C),1/ΣRθC-B=Σ(1/ RθC-B),上式满足的基本条件是阵列中所有LE D具有完全相同的参数.热阻Rθ是LED的一个重要参量,当我们知道了某一器件的热阻的Rθ数值,那么根据式(9),即可求得LED的结温:Tj=T A+PDRθJ-A (11)其中Tj为器件的P-N结温,TA为环境温度,PD=I•V为器件的耗散功率,RθJ-A为器件P-N结与环境之间的热阻.表9. LED衬底材料的热导系数材料热导系数(w/cm•k)Si 1.5Al2O3 0.46GaAs 0.54SiC 4.9表10. 常用的热沉材料的热导系数材料热导系数(w/cm•k)碳钢39.2-36.7黄铜109铝合金162钼138银427锡67锌121纯铜398纯铝236纯铁81.1显然,LED的热阻将严重影响器件的使用条件与性能,图18指出了不同热阻值的器件的最大正向电流与环境温度的关系,由图可见,当热阻较小时,光通量几乎与正向电流成正比例增加,当热阻较大时,由于P-N结温的上升,当正向电流加大到某值时,光通量将趋于饱和,并随之逐渐下降.对于一个LED管,设法降低P-N结与采用环境之间的热阻是提高器件散热能力的根本途径.由于环氧胶是低热导材料,因此P-N结处产生的热量很难通过透明环氧向上散失到环境中去,大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘接层、PCB与热沉向下发散.显然,相关材料的导热能力将直接影响器件的热散失效率.表9与表10指出了若干常用衬底与热沉材料的导热系数值,银浆与环氧的数据未在表中列出.他们的导热系数值分别为2.7与0.2~0.8(w/mk).实验指出,对于一个普通型(Φ5)的LED,从P-N结区环境温度的总热阻在300~600˚C/w之间;对于一个具有良好结构的功率型L ED器件,其总热阻约为15~30˚C/w.巨大的热阻差异表明普通型器件只能在很小的输入功率条件下,才能正常地工作,而功率型器件的耗散功率可大到瓦级甚至更高.。
如何提高led发光效率
如何提高led发光效率
过去十多年来，通过在材料和器件设计方面的改进，使得LED的发光效率获得了极大提高。
在2000年，外量子效率为25%，而如今对蓝光GaN基LED最好的外量子效率已超过70%。
图2.9给出了从2000年到2008年GaN基LED外量子效率发展变化图。
从图上中可以看到提高LED的发光效率可以从两个方面考虑：（1）提高内量子效率（2）提高光提取效率。
这里先来说说如何提内量子效率的方法：
1、改变发光层的结构同质结LED是指在同一种半导体材料中通过掺杂制备PN结的LED工矿灯芯片。
这种结构主要存在的问题是：为了减少材料的吸收，窗口层（P层）做得尽可能薄，这样一来，在P型区，部分注入的电子易于穿过薄的P层到达表面，通过晶体的表面缺陷作无福射复合，无福射复合降低了发光效率；
2、由于电子分布在整个扩散长度上，复合发生要在一个较大的区域进行，发射光子被再吸收的几率增加，这将会影响发光效率。
为了克服同质结LED存在的问题，异质结LED被采用。
把两种不同禁带宽度材料制成的PN结LED称为异质结LED。
异质结又分为单异质和多异质结。
发光二极管的物理原理与效率提升
发光二极管的物理原理与效率提升发光二极管（LED）作为一种重要的光电器件，广泛应用于照明、显示、通信等领域，并且其在节能环保、寿命长、色彩丰富等方面有着明显的优势。
那么，LED的工作原理到底是怎样的呢？又如何提升其效率呢？首先，我们来了解一下LED的物理原理。
LED是一种半导体器件，其发光的基本原理是电子跃迁。
当电流通过LED芯片时，电子和空穴以正和负的电荷形式从p区和n区进入LED芯片。
当它们相遇时，电子和空穴之间会发生复合，释放出能量。
这些能量以光的形式被发射出来，产生可见光。
LED的效率提升主要从以下几个方面考虑。
首先，选择合适的材料是提升LED效率的重要因素之一。
对于红外、可见光和紫外光的发射，需要选择不同的材料，如GaAs、GaP、InGaAs等。
这样，可以使得LED在不同波段的发射效率更高。
其次，提高LED的光的折射率也可以提升其效率。
通过在LED芯片表面加入透明材料，如透明封装材料，可以改变光在LED内部的传播路径，从而提高光折射率，使得更多的光线能够从LED芯片表面射出，达到提高效率的目的。
此外，改善LED的发光效果也可以提升其效率。
对于不同颜色的LED，由于其发光机制的不同，其效率也会有所差异。
比如，蓝光LED的效率相对较低，因为其发光时会产生大量的热量，导致能量损失。
因此，研究人员通过合理设计发光结构和改进材料，来提高蓝光LED的效率。
此外，合理设计LED的结构也是提升效率的重要手段。
在LED芯片表面镀金可反射层，可以增加发光强度，提高光的输出效率。
此外，还可以使用纳米材料和光子晶体等新型结构来提高LED的效率，从而实现更高的发光亮度并减少能量损失。
除了物理原理和结构设计，LED的外部条件也会对其效率产生影响。
例如，适当控制LED的电流和温度等参数，可以减少电子与空穴之间的非辐射复合，提高LED的发射效率。
综上所述，发光二极管的物理原理是电子跃迁，通过电流通过LED芯片时，电子和空穴复合并释放能量，产生可见光。
如何提高有机发光二极管的外量子效率
如何提高有机发光二极管的外量子效率有机发光二极管（OLED）是一种新型的显示器，它可以产生明亮、鲜艳的色彩，它具有高可靠性、低功耗等优点，并且可以制造出薄、轻、节能等新型显示器。
但是OLED的外量子效率（EQE）相对较低，导致大多数应用无法实现。
因此，有必要提高OLED的外量子效率，使其具有更多的应用前景。
首先，要实现提高OLED的外量子效率，需要改善元件结构。
OLED元件结构决定了OLED产生的光量子路径，这是实现外量子效率提高的关键因素。
例如，可以采用复合型二极管结构，这种结构具有更紧凑的光量子传播路径，可以提高OLED的外量子效率。
其次，要实现提高OLED的外量子效率，还需要改善材料的性能。
材料的性能决定了OLED的发光效率，因此，研究新型的高效发光材料，改善发光效率也是提高OLED的外量子效率的关键因素。
例如，可以采用有机金属蒽醚类材料，对其进行改性，以提高发光效率。
此外，还需要采取合理的光学设计，使得OLED更加可靠和安全。
由于OLED元件的材料性能以及光学设计的优化，可以有效地提高OLED的外量子效率。
例如，采用特定的反射材料或复合材料，增加发光面积，可以有效提高外量子效率。
最后，在实际的OLED制造过程中，精确的温度控制也是提高OLED外量子效率的关键因素。
OLED工艺参数的控制非常重要，如果OLED制造过程中温度失控，会导致OLED性能下降，最终降低外量子效率。
因此，需要精确的温度控制，以保证OLED的外量子效率。
以上就是提高OLED外量子效率的几种方法介绍。
通过改善元件结构、材料的性能、光学设计、以及精确的温度控制，都可以提高OLED的外量子效率。
因此，在OLED制造过程中，应该重视上述技术，以实现OLED更高的外量子效率。
提高LED外量子效率_占美琼
量子效率。由于工艺和技术的成 熟，已经可以制备内量子效率达 到 ７０％，８０％的 ＧａＮ 基 ＬＥＤ。 因 此，通过提高内量子效率来大幅 度 提 高 ＬＥＤ 发 光 效 率 已 没 有 很 大的余地［２］。半导体照明 ＬＥＤ 关 键技术之一也就是如何通过提高 外量子效率来提升其出光效率。 多年以来，人们开展了很多研究 来提高其外量子效率［２］。下面主要 介绍从芯片技术角度提高外量子
ＺＨＡＮ Ｍｅｉｑｉｏｎｇ ＷＵ Ｚｈｏｎｇｌｉｎ ＷＵ Ｈｅｎｇｌａｉ ＣＨＥＮ Ｌｉｎ
（Ｓｈａｎ ｇｈａｉ Ｓｅｃｏｎ ｄ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎ ｉ ｃ Ｕｎ ｉ ｖｅｒ ｓｉ ｔｙ， Ｓｈａｎ ｇｈａｉ ２０１２０９）
摘 要 提高发光二极管的发光效率是当前的一个研究热点。简要介绍了从芯片技术角度提高发光二极管 （ ＬＥ Ｄ） 外 量子 效 率 的几 种 途 径，生 长 分 布布 拉 格 反射 层 结 构 、制 作 透 明 衬 底 、衬 底 剥 离 技 术 、倒 装 芯 片 技术、表面粗化技术、异形芯片技术、采用光子晶体结构等。此外还介绍了发光材料、能带结构以及工 艺对外量子效率的影响。
这项技术首先由美国惠普公
司在 ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ ＬＥＤ 上实现， 因 为 ＧａＡｓ 衬 底 的 吸 收 ， 使 得 ＬＥＤ 内部光损失非常大。通过剥 离 ＧａＡｓ 衬底，然后粘接在 ＧａＰ 衬底上，可以提高近 ２ 倍的发光 效率。２００２ 年 １２ 月日亚公司［１１］正 式把它用 ＵＶ ＬＥＤ 的工 艺 上 ，使 得其发光效率得到了很大的提 高。２００３ 年 ２ 月，德国 ＯＳＲＡＭ 公 司 ［１２］用 激 光 剥 离 技 术（ＬＬＯ）将 蓝 宝石去除，将 ＬＥＤ 出光效率提至 ７５ ％，是传统 ＬＥＤ 的 ３ 倍，目前他 们已建立了第一条 ＬＬＯ 生产线 。
oled外量子效率
oled外量子效率OLED外量子效率随着科技的不断发展，显示技术也在不断革新，而OLED（Organic Light Emitting Diode，有机发光二极管）作为一种新型的显示技术，凭借其自发光、超薄、柔性等特点，逐渐成为主流的显示技术之一。
而在OLED技术中，外量子效率是一个重要的指标，它对OLED显示器的亮度、色彩饱和度以及能耗等方面都有着重要的影响。
所谓外量子效率，简单来说就是OLED发光材料在电子能量转化为光能量时的效率。
在OLED显示器中，外量子效率越高，代表着能量转化的效率越高，显示器的亮度也就越高。
高外量子效率的OLED显示器可以在相同电压下获得更高的亮度，使得图像更加鲜明、细腻。
因此，提高OLED外量子效率是改进OLED显示技术的关键。
要想提高OLED外量子效率，首先需要优化和改进OLED发光材料。
OLED发光材料是OLED显示器的核心组成部分，直接决定了OLED 的性能。
目前，常用的OLED发光材料主要有有机小分子和聚合物两种。
有机小分子材料具有较高的外量子效率，但其制备工艺复杂，成本较高。
而聚合物材料制备简单、成本较低，但其外量子效率相对较低。
因此，研究人员一直致力于改进聚合物材料的外量子效率。
通过探索新型的聚合物材料，优化材料的分子结构和能级结构，可以提高聚合物材料的外量子效率，进一步推动OLED技术的发展。
改进器件结构也是提高OLED外量子效率的关键。
目前，常用的OLED器件结构主要有单层结构、双层结构和多层结构。
其中，多层结构器件由于能够在不同分子层之间形成能量传递和电荷传输的共振耦合效应，可以提高能量传输的效率，从而提高外量子效率。
因此，研究人员通过改变OLED器件的结构和材料，设计出更加高效的OLED器件，进一步提高了OLED的外量子效率。
改进电子注入和传输过程也可以提高OLED的外量子效率。
电子注入和传输是OLED发光过程中的关键步骤，直接影响能量转化的效率。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
提高发光二极管(led)外量子效率的途径
1 LED基础知识
发光二极管(LED)是一种常见的半导体器件，可以将电能转化为光能，并被广泛应用于照明、显示、通信等领域。
LED的外量子效率是指发出光子的数量与注入电子的数量之间的比值，是反映LED光电转换效率的重要参数。
提高LED的外量子效率可以增加其发光强度、降低其能量消耗和使用成本，对于LED产业的发展具有重要意义。
2 增加载流子浓度
载流子浓度是影响LED发光效率的重要因素，可以通过增加注入电流、提高材料掺杂浓度等途径增加载流子浓度。
其原理是在P型和N 型半导体之间形成能带差，当施加正向电压时，电子从N型半导体向P 型半导体移动，空穴从P型半导体向N型半导体移动，当它们在PN结处复合时，会发射光子。
因此，增加载流子浓度可以促进载流子的复合，提高LED的发光效率。
3 提高材料品质
发光效率受到材料品质的影响，包括晶格匹配度、散射、缺陷等因素。
材料品质差会导致载流子复合缓慢或通道散射，影响光子的产生和传输。
因此提高材料品质可以改善LED的外量子效率。
可以通过改变生长工艺、合适的后处理等方法来提高材料品质。
4 设计优化结构
LED的结构设计也对其外量子效率产生一定影响。
结构设计方面包括对电极的布局、量子阱的设计、材料的选择等。
同时，指定适当的添加剂，可以提高发光强度。
因此，在阐述塞尔斯效应的基础上，不断优化LED器件结构，实现瞬态诱导荧光技术，可以更好的提高LED 外量子效率。
5 提高外部量子效率——光封装
光封装是提高LED外量子效率的重要因素。
LED器件在出厂时需要进行封装后才能运用到各个领域。
光封装有直接耦合封装和反射杯封装两种，前者在外形小，光透过量大的项目使用较多；后者采用反射杯设计的光封装，能使光子反射并多次反射，从而提高LED外量子效率。
6 总结
在提高LED的外量子效率方面，载流子浓度、材料品质、结构设计、光封装等因素都是需要考虑的重要因素。
进一步优化LED器件的结构设计，采用高品质材料，提高载流子浓度以及光封装等可以更好的提高LED的外量子效率，大大增强LED的发光强度，降低其能量消耗和成本，促进LED产业的持续发展。