淺析LED三要素:IQE、LEE與EQE
首先給出內(nèi)量子效率(IQE:Internal Quantum Efficiency )、光析出率(LEE:Light Extraction Efficiency)與外量子效率(EQE:External Quantum Efficiency)參數(shù)的定義與表達如下:
IQE=單位時間內(nèi)有源層發(fā)射的光子數(shù)/單位時間內(nèi)注入到有源層的電子子數(shù)=(Pint/(hv))/(I/e) (1.1)
LEE=單位時間內(nèi)出射到空間的光子數(shù)/單位時間內(nèi)從有源層內(nèi)出射的光子數(shù)=(P/(hv))/=(Pint/(hv)) (1.2)
EQE=單位時間內(nèi)出射到空間的光子數(shù)/單位時間內(nèi)注入到有源層的電子子數(shù)=(P/(hv))/(I/e)=IQE*LEE (1.3)
其中,Pint是有源區(qū)內(nèi)發(fā)射出的光功率,I為注入電流,P是發(fā)射到自由空間的光功率。內(nèi)量子效率表征了LED有源區(qū)將注入的電能轉(zhuǎn)化為光能的能力;光提取效率表征了LED有源區(qū)將產(chǎn)生的光能發(fā)射出去的能力;外量子效率表征了LED將電能轉(zhuǎn)化為外界可見光能的能力,外量子效率越高則發(fā)光效率越高。對于理想LED器件,此三個參數(shù)均為1,即可將注入的電能完全轉(zhuǎn)化為外界可見的光能。
二.影響IQE、LEE與EQE因素
外延層中的缺陷限制了LED的IQE。從發(fā)光二極管的工作原理我們得知,發(fā)光二極管是靠電子與空穴的輻射復(fù)合發(fā)光。但電子與空穴還存在另外一種復(fù)合機制——非輻射復(fù)合,見圖1。當(dāng)電子與空穴發(fā)生非輻射復(fù)合時,多余的能量以聲子的形式傳遞給附近的原子,增加了原子的動能。宏觀上講,使得LED溫度升高。
非輻射復(fù)合與外延層中的缺陷有關(guān)。當(dāng)外延層中存在缺陷時,在缺陷處會形成復(fù)合中心,在該復(fù)合中心處更容易發(fā)生非輻射復(fù)合。缺陷密度越高,此種復(fù)合中心也越多,則會有更多的復(fù)合載流子發(fā)生非輻射復(fù)合。因此,在缺陷集中地區(qū)域,發(fā)光強度較弱。而對LED的LEE限制因素是材料的折射率
圖1 當(dāng)光線從高折射率的物質(zhì)向低折射率的物質(zhì)入射時,由Snell定律可知,若入射角過大,會發(fā)生全反射。發(fā)生全反射時,光線無法進入低折射率的物質(zhì),只有入射角度小于全反射臨界角的光線才能低折射率的物質(zhì)而發(fā)射出去時。因此,全反射降低了光提取效率,LED芯片內(nèi)部的光線只有一部分能發(fā)射出去。(注:上述引自我一哥們的論文,他引自重呵呵)。
對于藍寶石基GaN多量子阱結(jié)構(gòu)LED,藍寶石、GaN與空氣的折射率分別為1.7、2.5與1,從而導(dǎo)致光子從GaN材料到空氣的逃逸角(未封裝的情況下)僅有23°,LEE僅有5%。
考慮電極以及封裝等引起的損耗,EQE還需要在式1.3乘以一個小于1的系數(shù)。
三. 對IQE、LEE以及EQE的提高
基于上述,提高IQE方法主要集中在了提高GaN外延層質(zhì)量上了。
而對LEE提高主要集中在了封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計上了。
雖然根據(jù)Snell簡單計算可以發(fā)現(xiàn),即使在空氣與GaN之間插入一層折射率介于GaN與空氣之間的材料,亦不會提高LEE,但這層材料的形狀可以改變LEE。
對IQE與LEE的提高自然可以提高EQE。
這里最想是說一下關(guān)于這三個參數(shù)提高率之間的關(guān)系。
對于一個量a而言,如果其值變化到了b,則其變化率
n(%)=(b-a)/a*100
或
b=a(1+n%)
我們不妨將上式用到式1.3上,來計算EQE的提高率與IQE與LEE提高率之間的關(guān)系。
假設(shè)IQE、LEE與EQE因某一措施分別提高了nIQE%,nLEE%,nEQE%
(1+nEQE%)EQE=(1+nIQE%)*IQE*(1+nIEE%)*LEE (3.1)
上式中IQE、LEE與E
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