LED的內(nèi)量子效率與電-光效率簡述及計算

　　在LED的PN結(jié)上施加正向電壓時，PN結(jié)會有電流流過。電子和空穴在PN結(jié)過渡層中復(fù)合會產(chǎn)生光子，然而并不是每一對電子和空穴都會產(chǎn)生光子，由于LED的PN結(jié)作為雜質(zhì)半導(dǎo)體，存在著材料品質(zhì)、位錯因素以及工藝上的種種缺陷，會產(chǎn)生雜質(zhì)電離、激發(fā)散射和晶格散射等問題，使電子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時與晶格原子或離子交換能量時發(fā)生無輻射躍遷，也就是不產(chǎn)生光子，這部分能量不轉(zhuǎn)換成光能而轉(zhuǎn)換成熱能損耗在PN結(jié)內(nèi)，于是就有一個復(fù)合載流子轉(zhuǎn)換效率，并用符號nint表示。
　　
　　nint=（復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)/復(fù)合載流子總數(shù)）×100%
　　
　　當(dāng)然，很難去計算復(fù)合載流子總數(shù)和產(chǎn)生的光子總數(shù)。一般是通過測量LED輸出的光功率來評價這一效率，這個效率nint就稱為內(nèi)量子效率。
　　
　　提高內(nèi)量子效率要從LED的制造材料、PN結(jié)外延生長工藝以及LED發(fā)光層的出光方式上加以研究才可能提高LED的nint，這方面經(jīng)過科技界的不懈努力，已有顯著提高，從早期的百分之幾已提高到百分之幾十，有了長足的進步，未來LED發(fā)展，還有提高nint的很大空間。
　　
　　假設(shè)LEDPN結(jié)中每個復(fù)合載流子都能產(chǎn)生一個光子，是不是可以說，LED的電一光轉(zhuǎn)換效率就達到100%？回答是否定的。
　　
　　從半導(dǎo)體理論可以知道，由于不同的材料和外延生長工藝的不同，所制成的LED的發(fā)光波長是不同的。假設(shè)這些不同發(fā)光波長的LED其內(nèi)量子效率均達到100%，但由于一個電子N型層運動到PN結(jié)有源層和一個空穴從P型層運動到PN結(jié)有源層，產(chǎn)生復(fù)合載流子所需的能量E與不同波長的LED的能帶位置相關(guān)都不一樣。而不同波長的光子的能量E也是不同的，電能到光能的變換有必然的損耗，下面舉例加以說明：
　　
　　例如一個入D=630nm的GaInAlP四元橙色LED，其正向偏置為VF≈2.2V,于是意味著它的一個電子與一個空穴復(fù)合成一個載流子所需的電勢能ER=2.2Ev，而一個入D=630nm的光子的勢能為E=hc/入D≈1240/630≈1.97eV，于是電能到光能的轉(zhuǎn)換效率n(e-L)=1.97/2.2×100%≈90%，即有0。0.23eV的能量損失(eV為電子伏)。
　　
　　如果對一個GaN的藍光470nm的LED，則VF≈3.4V,于是EB≈3.4EeV,而EB≈1240/470≈2.64eV,于是Nb=2.64/3.4×100%≈78%,這是在假定nint=100%時。若nint=60%,則對于紅色LED，n(e-L)=90%×60%=54%，而對于藍色LED則有n(e-L)B=78%×60%=47s%?？梢?，這就是LED的光一電轉(zhuǎn)換效率不是很高的原因。
　　
　　上面已經(jīng)了解到LEDPN結(jié)有源層的電一光轉(zhuǎn)換效率不是很高，有相當(dāng)一部分電能沒有轉(zhuǎn)換成光能，而是轉(zhuǎn)換成熱能損耗在PN結(jié)內(nèi)，成為PN結(jié)的發(fā)熱源。業(yè)界正在通過材料、工藝等機理上的努力去提高這一效率。如果施加在LED上的電功率全部變成光子能量，那么要問：這些光子能否全部逸出到空氣中“看見”？回答也是否定的。于是就有一個LED光子逸出率的問題存在。可以這樣來表示LED中產(chǎn)生的光子逸出到空氣中的比率。

nout=（逸出到空氣中的光子數(shù)/PN結(jié)產(chǎn)生的光子總數(shù)）×100%
　　
　　以上公式可以為LED的內(nèi)量子效率。為方便說明，我們假定LED的材料為GaAs,其材料的折射系數(shù)為n1=3.9，與芯片接觸的界面是空氣，它的光折射系數(shù)n0=1,由光傳播理論的光線折射定律可以知道，兩種不同界面的折射系數(shù)不相同時，其垂直于界面的光的反射函數(shù)可用下式來表示：
　　
　　R（L）=［（n1-n0）/（n1+n0）］2×100%
　　
　　對于GaAs與空氣，則有，
　　
　　R（L）=［（3.9-1）/（3.9+1）］2×100%=35.02
　　
　　這就是說，有35.02%的光子將被反射回GaAs材料中，即反射回芯片內(nèi)，不能逸出到空氣中，僅有64.98%有可能逸出到空氣中。然而，LED的發(fā)光若是一個點光源時，其邊界全發(fā)射臨界的半角θc與界面兩種材料的折射系數(shù)有關(guān)，并由以下公式確定：θc=arcsin(ndn1)
　　
　　對于GaAs和空氣：θc=arcsin（1/3.9）=14.90°
　　
　　邊界全發(fā)射臨界角為29.8°，超過這個角度不能發(fā)射到空氣中，顯然這對一個球面而言，這個角度僅8.27%的區(qū)域能全發(fā)射，顯然內(nèi)量子效率是極低的。
　　
　　當(dāng)然對LED芯片來說，它是一個六面體，并非點光源，在不計電極擋光時，這個六面體的六個面均可有一個全發(fā)光臨界角，共有49.6%的出光區(qū)域。事實上，LED由于要引出電極、固定在引線框架上等原因，還做不到六個面出光，也就是達不到49.6%的全發(fā)射區(qū)域。LED內(nèi)量子效率一般僅在20%左右，它還有很大的提升空間，就是要綜合LED芯片結(jié)構(gòu)、封裝結(jié)構(gòu)、材料折射系數(shù)等方面因素加以解決，來提高出光效率。
　　
　　近年因為環(huán)保、節(jié)能、半導(dǎo)體的綜合優(yōu)勢，LED取代傳統(tǒng)光源用于常規(guī)照明已鋒芒畢露，但要LED的發(fā)光效率有更大的突破才可以實現(xiàn)廣泛應(yīng)用，因為發(fā)光效率是應(yīng)用的必須數(shù)據(jù)，要提高發(fā)光效率就跟以上內(nèi)量子效率與電光效率息息相關(guān)！取代傳統(tǒng)照明必須的也是技術(shù)提高帶動成本下降，半導(dǎo)體照明才可以發(fā)揮科技優(yōu)勢！