led亮度提高的方法

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1、LED亮度提高的方法2005年第46卷第3期光電技術(shù)EIECTRO—OPTICSTECHNOLOGYVo1．46No．3．2005提高LED亮度的技術(shù)途徑吉群(華東電子集團(tuán)公司，南京210028)摘要發(fā)光二極管成為近年來(lái)最受重視的光源之一。由于其輕、薄、短、小的特性，以及封裝型式的耐沖擊、耐震及特殊的發(fā)光分布，加上特別長(zhǎng)的壽命使得發(fā)光二極管的確是一種優(yōu)異的光源選擇。提高發(fā)光二極管發(fā)光效率是當(dāng)前的重要任務(wù)之一，本文從材料和封裝工藝及結(jié)構(gòu)技術(shù)等多方面因素來(lái)闡述提高LED亮度的途徑。關(guān)鍵詞LEDGaN發(fā)光效率材料和工藝1前言熒光燈具雖然有目前較高的

2、發(fā)光效率、較低的制造成本等優(yōu)點(diǎn)，但是因?yàn)闊晒鉄艟叩臒艄苤泻?，而用于封裝熒光燈具的材料又以可吸收紫外線的玻璃為主，玻璃易碎的特性加上汞廢料的不易回收，均會(huì)嚴(yán)重地造成環(huán)境的污染。因此歐盟已經(jīng)明令將在2007年開始禁用這些含汞制品，也因此新型照明燈源的開發(fā)已經(jīng)成為各國(guó)政府發(fā)展的目標(biāo)，而LED(1ightemittingdiode)，也就是我們平常說(shuō)的發(fā)光二極管，更是目前各國(guó)在照明方面發(fā)展的重點(diǎn)。發(fā)光二極管有一個(gè)很大的特點(diǎn)，就是具備低電流、低電壓驅(qū)動(dòng)的特性，而這樣的特性在世界能源缺乏及各國(guó)針對(duì)綠色環(huán)保觀念的提高同時(shí)，尤其吸引大家的注意。目前各國(guó)政府

3、除了致力于新型能源的開發(fā)外，對(duì)現(xiàn)有電器設(shè)備效率的提高及環(huán)保的研究亦相當(dāng)重視。而在研發(fā)如何降低工業(yè)用電量的同時(shí)．目前普及率約80％的家電用品耗電量也逐漸受到重視。在照明發(fā)光方面，如何使得發(fā)光二極管具有熒光燈那樣的高發(fā)光效率(66—100lm／w)去替代熒光燈和傳統(tǒng)使用的60W白熾燈泡具有特別重要的意義。隨著近年來(lái)對(duì)發(fā)光二極管的材料、工藝和結(jié)構(gòu)技術(shù)的深入研究，明確了提高LED效率的途徑：發(fā)光二極管的發(fā)光效率一般稱為組件的外部量子效率(externalquantumefficiency)，其為組件的內(nèi)部量子效率(internalquantumeff

4、iciency)及組件的取出效率(extractionefficiency)的乘積。所謂組件的內(nèi)部量子效率其實(shí)就是組件本身的電光轉(zhuǎn)換效率，主要與組件本身的特性如組件材料的能帶、缺陷、雜質(zhì)及組件的異質(zhì)外延晶體組成及結(jié)構(gòu)等相關(guān)。而組件的取出效率指的則是組件內(nèi)部產(chǎn)生的光子，在經(jīng)過(guò)組件本身的吸收、折射、反射后實(shí)際上在組件外都可測(cè)量到的光子數(shù)目。因此相關(guān)于取出效率的因素包括了組件材料本身的吸收、組件的幾何結(jié)構(gòu)、組件及封禁材料的折射率差、組件結(jié)構(gòu)的散射特性等。而上述兩種效率的乘積，就是整個(gè)組件的發(fā)光效果，也就是組件的外部量子效率。早期組件發(fā)展集中在提高其

5、內(nèi)部量子效率，方法主要是利用提高異質(zhì)外延晶體的品質(zhì)及改變異質(zhì)外延晶體的結(jié)構(gòu)，使電能不易轉(zhuǎn)換成熱能，進(jìn)而間接提高LED的發(fā)光效率，此法可獲得約70％左右的理論內(nèi)部量子效率。但是這樣的內(nèi)部量子效率幾乎已經(jīng)接近理論的極限，在這樣的狀況下，光靠提高組件的內(nèi)部量子效率是不可能提高組件的總光通量，也就是外部量子效率達(dá)到目前的2—3倍，因此提高組件的取出效率便成為重要的課題。2材料技術(shù)2．1材料晶格匹配對(duì)于半導(dǎo)體發(fā)光二極管而言，晶格的匹配是一個(gè)重大的課題，因?yàn)閷?duì)于大部分Ⅲ一V族半導(dǎo)體而言，并沒有剛好適合的基板(substrate)可承載上方的異質(zhì)外延晶體層

6、，而成長(zhǎng)的異質(zhì)外延晶體層其晶格大小必須與基板的晶格匹配，才不至因應(yīng)力的因素導(dǎo)致品格缺焰，使得組件發(fā)出的光子被缺陷吸收，而大幅降低組件的發(fā)光效率。最早的Ⅲ一V族半導(dǎo)體異構(gòu)異質(zhì)外延晶體(heteroepitaxy)是采用GaAs作基板，并在其上成GaA1As的異質(zhì)外延晶體層，因?yàn)檫@兩種料的晶格非常近似，所以異質(zhì)外延晶體層與基片之間的應(yīng)力極小，因此研發(fā)過(guò)程中并無(wú)發(fā)維普資訊http://www.cqvip.com16光電技術(shù)第45卷生太大的困擾。但是后來(lái)陸續(xù)發(fā)展出來(lái)的異質(zhì)外延晶體如GaAshP成長(zhǎng)在GaAs基板上，或是GaAs~P1．成長(zhǎng)在GaP基板

7、上都有應(yīng)力存在的問(wèn)題。因此在光電材料中，往往通過(guò)調(diào)整二元、三元甚至四元材料的比率，這樣一來(lái)除了可以借不同大小的多元原子的比例來(lái)匹配基片的晶格結(jié)構(gòu)，也可因?yàn)檎{(diào)整半導(dǎo)體的能隙大小，而調(diào)整發(fā)光組件發(fā)光的波長(zhǎng)，唯這樣的方法在異質(zhì)外延晶體參數(shù)的調(diào)整上也復(fù)雜許多，也因此可以看出，異質(zhì)外延晶體技術(shù)可以稱為半導(dǎo)體發(fā)光組件技術(shù)中的核心。而在異質(zhì)外延晶體方法提高的同時(shí)，異質(zhì)外延晶體的結(jié)構(gòu)也持續(xù)地在改良。最早的結(jié)構(gòu)當(dāng)然是傳統(tǒng)p-n接面的發(fā)光二極管，但是其發(fā)光效率并無(wú)法得到明顯地改良，因此利用單一異質(zhì)接面(SingleHeterojunction，SH)結(jié)構(gòu)的方法開

8、始被使用在異質(zhì)外延晶體的工藝流程上，可以提高二極管中少數(shù)載子注入(minoritycarrierinjection)效率，因此發(fā)光效率獲得明顯地提高。之后更發(fā)展出雙