電工電子技術(shù)《發(fā)光二極管》大全

發(fā)光二極管2.1引言1、定義：發(fā)光二極管（LED）是一種固態(tài)發(fā)光，是利用半導(dǎo)體或類似結(jié)構(gòu)把電能轉(zhuǎn)換成光能的元件，屬于低場(chǎng)下的注入式電致發(fā)光。2、特點(diǎn)：B高，室溫下，全色LED大屏幕，5000－ 10000cd/m2工作電壓低，1－5V，可與Si邏輯電路匹配響應(yīng)速度快，10－7－10－9s彩色豐富，已研制出紅綠藍(lán)和黃橙的LED尺寸小，壽命長(zhǎng)（十萬(wàn)小時(shí)）視角寬，96年，達(dá)80度；97年，達(dá)140度3、缺點(diǎn)：電流較大，對(duì)七段式LED數(shù)碼管，10mA/段功耗大，裝配大型矩陣屏?xí)r散熱問(wèn)題突出4、簡(jiǎn)史1923年，由Losev在產(chǎn)生p-n結(jié)的SiC中發(fā)現(xiàn)注入式電致發(fā)光60年代末，LED得到迅速發(fā)展1964年，Gvimmeiss和Scholz以GaP間接帶材料隙得到橙、黃、綠的LED80年代，藍(lán)光的LED研制出來(lái)，用寬帶隙n型或半絕緣的GaN、ZnS或ZnSe上形成肖特基勢(shì)壘形成CurrentLEDTechnologyAxialIntensity100101400450500550600650700WavelengthinnmSiC0.1GaInNGaInNGaInNGaP:NGaP:NGaAsPGaAsPGaAsPAlInGaPAlInGaPAlInGaPGaAIAs(DH)2.2LED的發(fā)光機(jī)理PN結(jié)斷面示意圖Whathappenswhenp-type&n-typesemiconductorsareconnected?Holesande’smigrateacrossp/njunction.holes~104V/cmelectricfieldatjunctionlimitssizeofdepletionregion2.2.1LED的物理基礎(chǔ)復(fù)合理論一.載流子的激發(fā)半導(dǎo)體中的發(fā)光是原子能態(tài)之間輻射躍遷的結(jié)果。輻射復(fù)合速率是由高能態(tài)的電子密度、空著的低能態(tài)密度以及這兩種能態(tài)之間的躍遷幾率三者乘積決定的。因?yàn)榘雽?dǎo)體中相鄰原子的間隔小（～5?），它們的軌道電子的波函數(shù)相互作用，因此形成允許的能帶而不足形成分離的能級(jí)（如在孤立的原子中），發(fā)光產(chǎn)生與帶間的躍遷，因此不是單色的，而是擴(kuò)展遍及一般為幾百?寬的波長(zhǎng)間距半導(dǎo)體中發(fā)光是產(chǎn)生濃度超過(guò)熱平衡值的電子和空穴的復(fù)合激發(fā)載流子的方式有四種：（1）光致發(fā)光：是由能量大于半導(dǎo)體能帶間隙的入射光吸收產(chǎn)生少數(shù)載流子的過(guò)程。它在研究半導(dǎo)體材料時(shí)常用（2）陰極的射線發(fā)光：剩余載流子的產(chǎn)生是由高能電子電離的電子空穴隊(duì)而來(lái)的。每一個(gè)入射的電子產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)目是非常大的（對(duì)于一個(gè)10kev的電子，其典型數(shù)為103）（3）放射線發(fā)光：由各種高能粒子轟擊發(fā)光物體產(chǎn)生電子空穴對(duì)而引起發(fā)光（4）電致發(fā)光：它是由于外加電場(chǎng)而產(chǎn)生少數(shù)載流子的過(guò)程利用這種現(xiàn)象制成的器件有LED、LD、EL等二、復(fù)合過(guò)程電子空穴對(duì)一旦由上面提到的某種激發(fā)過(guò)程產(chǎn)生，電子將回到它的較低能量的平衡態(tài)并與空穴復(fù)合。這種復(fù)合能夠通過(guò)兩種途徑發(fā)生：輻射復(fù)合，非輻射復(fù)合輻射復(fù)合 輻射復(fù)合可直接由帶間電子和空穴復(fù)合產(chǎn)生，也可通過(guò)由晶體自身的缺陷摻入的雜質(zhì)和雜質(zhì)的聚合物所形成的中間能級(jí)來(lái)產(chǎn)生；這些缺陷或雜質(zhì)就叫做發(fā)光中心。按電子躍遷的方式可把輻射分成兩種帶間復(fù)合帶間復(fù)合是指導(dǎo)帶中的電子直接與價(jià)帶中空穴復(fù)合，產(chǎn)生的光子能量易接近等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。 半導(dǎo)體材料如GaAs,Inp等，由于價(jià)帶極大與導(dǎo)帶極小對(duì)應(yīng)于同一位置（零動(dòng)量位置）這種半導(dǎo)體材料的能帶稱為直接帶隙半導(dǎo)體能帶，也即是說(shuō)，在直接帶隙半導(dǎo)體的電子能量E（k)與波數(shù)K關(guān)系曲線中，導(dǎo)帶極小與價(jià)帶極大具有相同的K

值，電子與空穴在這種材料中的復(fù)合為二體過(guò)程，輻射效率不高。如果半導(dǎo)體材料的E（k)~K曲線中，導(dǎo)帶極小與價(jià)帶極大對(duì)應(yīng)于不同的K值，稱為間接帶隙半導(dǎo)體能帶。帶間復(fù)合必需涉及一個(gè)第三者的粒子以保持動(dòng)量守恒。聲子（晶格振動(dòng))就是這里的第三者。但是這種三粒子過(guò)程中電子－空穴復(fù)合的幾率比直接帶隙材料中小2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，Si、Ge、GaP等都屬于間接帶隙，這類材料將兩種帶間復(fù)合的能帶示于下圖EgKE（k）hυ＝Eg

直接帶隙半導(dǎo)體能帶

兩種帶間復(fù)合電子吸收光子的躍遷過(guò)程必須滿足能量和動(dòng)量守恒，電子在躍遷過(guò)程中波矢保持不變(在波矢k空間必須位于同一垂線上）直接躍遷直接躍遷和間接躍遷常見半導(dǎo)體GaAs就屬于此類：直接帶隙半導(dǎo)體直接躍遷中吸收系數(shù)α

和光子能量的關(guān)系為（A為一基本常數(shù)）KE（k）hυ＝Eg

－Ep間接帶隙半導(dǎo)體能帶hυ＝Eg＋Ep

Eg間接躍遷：動(dòng)量不守恒，電子不僅吸收光子，同時(shí)還和晶格交換一定的振動(dòng)能量，即放出或吸收一個(gè)聲子從而達(dá)到動(dòng)量守恒.光吸收系數(shù)（1-103cm-1）比直接躍遷（104-106cm-1)小得多。Si：間接帶隙半導(dǎo)體非間接復(fù)合 施主和受主雜質(zhì)不僅決定于材料的導(dǎo)電類型和電阻率，而且當(dāng)雜質(zhì)是發(fā)光中心時(shí)，它們還支配著輻射復(fù)合過(guò)程，雜質(zhì)取代晶體內(nèi)部的基質(zhì)原子，其位置不規(guī)則，因而委形成周期性排列。雜質(zhì)能級(jí)在動(dòng)量空間擴(kuò)展開，特別是出現(xiàn)在K＝0處，（說(shuō)明雜質(zhì)能級(jí)于半導(dǎo)體的價(jià)帶頂或?qū)У途哂邢嗤膭?dòng)量）。這說(shuō)明為何含有雜質(zhì)能級(jí)的躍遷能如此有效，復(fù)合的輻射部分可以發(fā)生在從導(dǎo)帶到受主或從施主到價(jià)帶，躍遷更經(jīng)常發(fā)生在施主和受主能態(tài)之間，因?yàn)樗鼈兎謩e單獨(dú)為電子和空穴提供低能態(tài)。在半導(dǎo)體Ⅲ-Ⅴ族化合物如GaP中，選用特定的雜質(zhì)通常是從Ⅵ族施主Te、Se、和S，以及從Ⅱ族受主Zn、Cd和Mg當(dāng)中進(jìn)行挑選。這種半導(dǎo)體材料（GaP）在常溫下通過(guò)激子(是指電子處于激發(fā)狀態(tài)但不能自由行動(dòng)，被空穴所產(chǎn)生的庫(kù)侖場(chǎng)俘獲的原子或分子)來(lái)進(jìn)行非間帶復(fù)合躍遷。如果在Ⅲ-Ⅴ族化合物中選用與基質(zhì)晶體同樣電子結(jié)構(gòu)的元素?cái)v雜，使之置換基質(zhì)晶體元素的晶格點(diǎn)，由于它與基質(zhì)晶體元素的電子親和力不同，而對(duì)電子或空穴產(chǎn)生吸引作用，這樣的勢(shì)阱叫做等電子勢(shì)阱，這種材料是通過(guò)等電子勢(shì)阱來(lái)進(jìn)行帶間復(fù)合躍遷。如GaP中攙N，N置換P，因?yàn)镹和P為同一族，置換后呈電中性，由于N比P對(duì)電子的親和力大，會(huì)俘獲電子，其后又以庫(kù)侖場(chǎng)俘獲空穴，因此N也稱為等電子受主。對(duì)于各種特定的攙雜劑和半導(dǎo)體的組合，最佳的雜質(zhì)濃度通常是以高效發(fā)光為目的的經(jīng)驗(yàn)來(lái)決定。一般情況下，雜質(zhì)濃度不能太小，因?yàn)椋鹤⑷肷贁?shù)載流子的復(fù)合幾率直接正比于將要與之復(fù)合的多數(shù)載流子的濃度（即發(fā)光中心濃度）較高的串聯(lián)電阻是由于低的載流子濃度的緣故，在大電流下，能引起過(guò)多的發(fā)熱和大的電壓降。另一方面，雜質(zhì)濃度不能太大，由于“濃度悴滅”，在濃度接近雜質(zhì)溶解度極限時(shí)會(huì)引起諸如沉淀和金屬絡(luò)合物等冶金學(xué)缺陷，使半導(dǎo)體根本不會(huì)發(fā)光，因此濃度不能太大。對(duì)于所攙施主雜質(zhì)，濃度范圍為1017～1018個(gè)cm－3，受主雜質(zhì)在1018～1019個(gè)cm－32、非輻射復(fù)合電子與空穴的復(fù)合為非輻射性時(shí)，則不發(fā)光，在半導(dǎo)體材料中最主要的非輻射復(fù)合過(guò)程有兩種：通過(guò)缺陷或雜質(zhì)中心的復(fù)合內(nèi)部量子輻射復(fù)合就是在那里發(fā)生缺陷（以及Fe、Cu一類的污染）引起的，深復(fù)合中心并跟著發(fā)生紅外發(fā)射或非輻射復(fù)合。這是由于雜質(zhì)在表面處有一能態(tài)的連續(xù)區(qū)（或準(zhǔn)連續(xù)區(qū)）可以把導(dǎo)帶和價(jià)帶連接起來(lái)，在表面態(tài)處的復(fù)合由聲子發(fā)射耗散掉多余的能量通過(guò)俄歇效應(yīng)的非輻射復(fù)合俄歇電子發(fā)射是下圖所示的一個(gè)過(guò)程。VacM等L2,3L1KEFφ

初始態(tài)0EVacM等L*2,3L1KEFφ

終態(tài)M等L*2,3L1EFVacKφ

激發(fā)與發(fā)射Ep>Ek2、2、2p-n結(jié)注入式電致發(fā)光機(jī)理 （結(jié)型電致發(fā)光）按照半導(dǎo)體材料不同形成的p-n結(jié)來(lái)進(jìn)行電致發(fā)光的情況，可分為兩類：同質(zhì)p-n結(jié)注入式電致發(fā)光異質(zhì)p-n結(jié)注入式電致發(fā)光一、同質(zhì)p-n結(jié)注入電致發(fā)光Atthejunction,freeelectronsfromtheN-typematerialfillholesfromtheP-typematerial.Thiscreatesaninsulatinglayerinthemiddleofthediodecalledthedepletionzone.

無(wú)外加電壓p-type&n-typesemiconductor

LED的發(fā)光原理PN結(jié)(PN-junction)二、異質(zhì)p-n結(jié)注入電致發(fā)光能帶如圖所示PNEc1Ev1EFEv2Ec2Eg1Eg2未加偏壓下的P－N結(jié)能帶圖PEg1－Eg2NEg2Eg1Ec2Ec1Ev1EFp加正向偏壓下的P－N結(jié)能帶圖發(fā)光區(qū)注入源Potential勢(shì)壘異質(zhì)結(jié)(Hetero-junction)2、3LightEmittingDiode(LED)2、3、1結(jié)構(gòu)與材料一、結(jié)構(gòu)采用半導(dǎo)體工藝在襯低上制作p-n結(jié)，然后制作Al電極，接著在半導(dǎo)體襯低一面蒸鍍Au－Ge電極，制得芯片，封裝芯片，焊到管座上，由超聲波焊接或熱壓焊引出電極，最后涂覆透明的環(huán)氧樹脂。其形狀和折射率對(duì)LED發(fā)光有很大的影響PhosphorCoatedLEDs二、材料LED對(duì)材料的要求：Eg較大，因?yàn)榫w發(fā)光的Emax<Eg,3.1ev>Eg>1.72ev,Eg大，則便于發(fā)能量較大的藍(lán)光或綠光純度高，晶格完整性好，以減小非輻射復(fù)合直接帶隙的半導(dǎo)體，其躍遷效率高能容易與Al、Au等金屬形成良好的歐姆接觸穩(wěn)定性好，價(jià)格便宜重要半導(dǎo)體的帶隙

對(duì)于LED材料的要求體現(xiàn)在LED特性上有二個(gè)重要的優(yōu)質(zhì)：一是外量子效率。另一個(gè)引入亮度B2.3.2LED的制造工藝結(jié)型發(fā)光器件工藝和一般半導(dǎo)體器件相似，但由于它是發(fā)光器件，因此必須充分注意其電學(xué)、光學(xué)特性的統(tǒng)一效果。半導(dǎo)體發(fā)光材料通常是用外延材料制作的，GaAsP基片是由氣相外延制造的，單晶晶片上切割下來(lái)的，而GaP和AlGaAs則采用的液相外延技術(shù)。相應(yīng)的器件制作都是采用n型摻雜的材料，用Zn擴(kuò)散方法，進(jìn)行局部受主擴(kuò)散形成p－n結(jié)，這里以GaAs0.6P0.4LED為例，對(duì)制作工藝加以說(shuō)明。單晶的制作采用水平布里奇曼法（Bridgman）采用保護(hù)旋轉(zhuǎn)提拉法平面結(jié)型LED工藝N－GaAs（100）摻P、Te外延N－GaAs（100）N－GaAs1－xPxSi3N4掩模N－GaAs（100）N－GaAs1－xPxSi3N4掩模

光刻Si3N4掩模N－GaAs（100）N－GaAs1－xPx

Zn擴(kuò)散N－GaAs（100）N－GaAs1－xPx

LED的制作工藝蒸鋁電極N－GaAs（100）N－GaAs1－xPx

·Al光刻Al電極N－GaAs（100）N－GaAs1－xPx

·AlN－GaAs（100）N－GaAs1－xPx

·Al蒸金－鍺電極劃片、測(cè)試選片、封裝外延技術(shù)：LPE(liquidphaseepitaxy)VPE(vaporphaseepitaxy)MBE(molecularbeamepitaxy)MOCVD(metal-organicchemicalvapordeposition)Liquid-PhaseEpitaxy(LPE)LPEisthesimplesttechniquemechanically.Itisanexcellenttechniquefortheproductionoftheverythicklayersusedinsomehigh-brightnessLEDstructures.MolecularBeamEpitaxy(MBE)MBEisthemostpowerfultechniquefortheproductionofsuperlatticeandquantum-wellstructures.MBEcanbeusedforthegrowthofawiderangeofmaterials,butanotableshortcomingisthedifficultyexperiencedwiththegrowthofthephosphides.OrganometallicVapor-PhaseEpitaxy(OMVPE)OMVPEisthemostversatiletechniquefortheproductionofIII-Vmaterialsandstructuresforeletronicandphotonicdevice.Itisalsothemostrecenttechniquetobedevolopedfortheproductionofhigh-qualityIII-Vsemiconductors.臺(tái)面結(jié)型LED工藝N－GaAs（100）摻P、Te外延N－GaAs（100）N－GaAs1－xPxZn擴(kuò)散N－GaAs（100）N－GaAs1－xPxP－GaAs1－xPx蒸Al電極光刻N(yùn)－GaAs（100）N－GaAs1－xPxP－GaAs1－xPxN－GaAs（100）N－GaAs1－xPxP－GaAs1－xPxAl減薄、拋光2.蒸Au－Ge電極N－GaAs（100）N－GaAs1－xPxP－GaAs1－xPx封裝Au－Ge2.3.3LED的特性1、I～V特性其正向I～V特性與普通二極管大致相同DiodeV-ICharacteristicForidealdiode,currentflowsonlyonewayRealdiodeisclosetoidealIdealDiodeP-NJunction-V-IcharacteristicsVoltage-Currentrelationshipforap-njunction(diode)TheIdealDiodeEquation2、B～V特性和B～I(xiàn)特性LED的發(fā)光亮度B與電壓V的關(guān)系，用下式表示：LED的B～I(xiàn)特性用下式表達(dá)：注意：發(fā)紅光的GaP與上式不同，B呈現(xiàn)飽和。材料中心通過(guò)Zn-O對(duì)進(jìn)行的，當(dāng)少數(shù)載流子密度達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)會(huì)使發(fā)光中心飽和，而發(fā)綠光的GaP中輻射復(fù)合時(shí)通過(guò)淺施主能級(jí)進(jìn)行，即使施主濃度很大也不會(huì)出現(xiàn)飽和3、發(fā)光效率內(nèi)量子效率外量子效率由于材料的折射率高，發(fā)射和吸收的損失大，輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子不會(huì)全部射出設(shè)射出的光子數(shù)目NT，注入的電子空穴對(duì)G，則顯然，外量子效率小于內(nèi)量子效率一般，內(nèi)量子效率可達(dá)50％；而外量子效率為0.1~12%功率效率對(duì)理想的p-n結(jié)LED,V外全部加在p-n結(jié)上.但在實(shí)際上,在電極和LED接觸處,LED半導(dǎo)體層本身都有電阻,稱為串聯(lián)電阻Rs.一般直接帶隙Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體LED中,Rs=1~3歐姆;間接帶隙除Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體LED,Rs=10歐姆.Rs上的壓降不影響量子效率,但減小了功率效率.功率效率的可以表示為:提高功率效率,則Rs下降,摻雜濃度升高.單不能太高(因?yàn)橐绊慙ED的結(jié)晶完整性),一般取1018cm-3為宜.提高LED效率的途徑a.選擇適當(dāng)?shù)膿诫s濃度在p-n結(jié)加上正向偏壓以后，注入結(jié)區(qū)的載流子有一部分被晶格缺陷和有害雜質(zhì)俘獲，形成空間非輻射復(fù)合。這種復(fù)合盡量避免，因俘獲中心有限，可加大注入電流使其飽和，擴(kuò)散電流jd開始起主要作用在LED中，只有一種擴(kuò)散電流對(duì)發(fā)光貢獻(xiàn)大。在紅光GaP中，主要是jdn在p區(qū)的復(fù)合，要增加注入效率，就要提高jdn在全部擴(kuò)散電流中的比例，因?yàn)槭┲麟s質(zhì)濃度（ND）大于受主雜質(zhì)濃度（NA），要適當(dāng)提高NA。但是NA和

ND不能太高，否則因缺陷過(guò)多造成過(guò)多的光子吸收，減少電子遷移率和增加空穴向N區(qū)注入，這些都會(huì)降低注入效率，所以NA，ND都有一個(gè)最佳值，一般都在1018cm-3這個(gè)數(shù)量級(jí)上。b.選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)深輻射復(fù)合發(fā)出的光從p-n結(jié)到達(dá)晶體表面之前會(huì)受到較大的吸收，為了減小吸收，把結(jié)做得薄一些，但是太淺了又會(huì)使注入的載流子在體內(nèi)來(lái)不及充分復(fù)合就到達(dá)電極流走了。因此結(jié)深也有一個(gè)最佳值，其計(jì)算公式：c.改進(jìn)LED的結(jié)構(gòu)由于Ⅲ-Ⅴ族材料的折射率大（n＝3～4），即使垂直入射到空氣界面的光也有50％的發(fā)射，與界面的法線大于16度（全反射臨界角）的光完全發(fā)射回器件內(nèi)部。只有θ<θc立體角內(nèi)的光才能出射出器件之外，將θc＝16.2度代入，得外量子效率約0.03,即到達(dá)表面的光只有3%左右可以出射出來(lái)。但是由于晶體本身在光的傳輸過(guò)程中還有很強(qiáng)的吸收作用，因而實(shí)際的外量子效率比計(jì)算值低。用球面發(fā)射表面結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)減小了界面發(fā)射，但使材料內(nèi)部光程增大，在增加了吸收為了提高外量子效率，可采取下列措施：用折射率較大的介質(zhì)做成圓頂光窗，以增大半導(dǎo)體內(nèi)的全發(fā)射臨界角。LED-OpticalProperties-LightEscapeConeTotalinternalreflectionatthesemiconductorairinterfacereducestheexternalquantumefficiency.Theangleoftotalinternalreflectiondefinesthelightescapecone.sinθc=nair/nsAreaoftheescapecone=2πr2(1-cosθc)Pescape/Psource=(1-cosθc)/2=θc2/4=(nair2/ns2)/4LED-OpticalProperties-EmissionSpectrumLightintensityinair(Lambertianemissionpattern)isgivenby Iair=(Psource/4πr2)X(nair2/ns2)cosΦIndexcontrastbetweenthelightemittingmaterialandthesurroundingregionleadstonon-isotropicemissionpatternLED-OpticalProperties-EpoxyencapsulantsLightextractionefficiencycanbeincreasedbyusingdomeshapedencapsulantswithalargerefractiveindex.EfficiencyofatypicalLEDincreasesbyafactorof2-3uponencapsulationwithanepoxyofn=1.5.Thedomeshapeoftheepoxyimpliesthatlightisincidentatanangleof90oattheepoxy-airinterface.Hencenototalinternalreflection.在p-n結(jié)背面設(shè)置合適的反射面，可以利用正面發(fā)出的光，也可以使后面的光得到有效的利用反射面電極與p-n結(jié)的歐姆接觸處具有高的吸收系數(shù)，應(yīng)減小接觸面積，但會(huì)增加串聯(lián)電阻Rs和降低熱導(dǎo)，因而可采用折中的辦法，用絕緣層（SiO2）覆蓋在二極管表面，同時(shí)在其上開一小窗口作歐姆接觸。采用此法的紅光GaAsP的LED，其吸收系數(shù)由700/cm下降到230/cm,相應(yīng)亮度提高了2～3倍。對(duì)于GaAs紅外LED，可采用摻硅將其輻射波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向偏移以減小吸收損耗選擇適當(dāng)?shù)膒-n結(jié)半導(dǎo)體材料，使發(fā)射光譜與視覺曲線有最大的重疊。即使矩形結(jié)構(gòu)的LED，會(huì)可采取折射率大，吸收小的透明材料封裝LED，可增加出射光，入對(duì)于GaAsP的LED用環(huán)氧樹脂封裝（nr

＝1.55),θc=25.5度，出射光增加了1.45倍，用低熔點(diǎn)玻璃封裝（nr

＝2.4~2.6)，則外發(fā)光效率可提高4～7倍。HighextractionefficiencystructuresShapingoftheLEDdieiscriticaltoimprovetheirefficiency.LEDsofvariousshapes;hemisphericaldome,invertedcone,truncatedconesetchavebeendemonstratedtohavebetterextractionefficiencyoverconventionaldesigns.Howevercostincreaseswithcomplexity.HighextractionefficiencystructuresTheTIPLEDemploysadvancedLEDdieshapingtominimizeinternallossmechanisms.Theshapeischosentominimizetrappingoflight.TIPLEDisahighpowerLED,andtheluminousefficiencyexceeds100lm/W.TIPdevicesaresawnusingbeveleddicingbladetoobtainchipsidewallanglesof35otovertical.HighinternalefficiencyLEDdesignsRadiativerecombinationprobabilityneedstobeincreasedandnon-radiativerecombinationprobabilityneedstobedecreased.Highcarrierconcentrationintheactiveregion,achievedthroughdoubleheterostructure(DH)design,improvesradiativerecombination.R=BnpDHdesignisusedinallhighefficiencydesignstoday.Dopingoftheactiveregionsandthatofthecladdingregionsstronglyaffectsinternalefficiency.Activeregionshouldnotbeheavilydoped,asitcausescarrierspill-overintotheconfinementregionsdecreasingtheradiativeefficiencyDopinglevelsof1016-low1017areused,ornoneatall.P-typedopingoftheactiveregionisnormallydoneduetothelargerelectrondiffusionlength.Carrierlifetimedependsontheconcentrationofmajoritycarriers.Inlowexcitationregime,theradiativecarrierlifetimedecreaseswithincreasingfreecarrierconcentration.Henceefficiencyincreaseswithdoping.Athighconcentration,dopantsinducedefectsactingasrecombinationcenters.HighinternalefficiencyLEDdesignsP-NjunctiondisplacementDisplacementoftheP-NjunctioncausessignificantchangeintheinternalquantumefficiencyinDHLEDstructures.Dopantscanredistributeduetodiffusion,segregationordrift.

DopingoftheconfinementregionsResistivityoftheconfinementregionsshouldbelowsothatheatingisminimal.Hhecladdingregionkeepselectronsintheactiveregionandpreventsthemfromdiffusingintotheconfinementregion.Electronleakageoutoftheactiveregionismoreseverethanholeleakage.NonradiativerecombinationTheconcentrationofdefectswhichcausedeeplevelsintheactiveregionshouldbeminimum.Alsosurfacerecombinationshouldbeminimized,bykeepingallsurfacesseveraldiffusionlengthsawayfromtheactiveregion.MesaetchedLEDsandlaserswherethemesaetchexposestheactiveregiontoair,havelowinternalefficiencyduetorecombinationatthesurface.SurfacerecombinationalsoreduceslifetimeofLEDs.LatticematchingCarriersrecombinenon-radiativelyatmisfitdislocations.Densityofmisfitdislocationlinesperunitlengthisproportionaltolatticemismatch.HencetheefficiencyofLED’sisexpectedtodropasthemismatchincreases.4、溫度特性溫度上升，亮度下降；溫度增加1度，發(fā)光效率減小1％，當(dāng)LED消耗功率大，則結(jié)溫上升，輸出亮度下降，所以減小功耗，改良散熱條件很重要。Causesincludenon-radiativerecombinationviadeeplevels,surfacerecombination,andcarrierlossoverheterostucturebarriers.5、發(fā)射光譜LED的發(fā)射光譜由半導(dǎo)體禁帶寬度以及雜質(zhì)濃度決定。描述光譜分布的兩個(gè)主要參量是峰值波長(zhǎng)λmax與半高寬Δλ

。對(duì)GaAs1-xPx和Ga1-xAlxAs由于x不同，

λmax＝620～680nm，Δλ

＝20～30nm；對(duì)GaP（紅）:λmax＝700nm，Δλ

＝10nm；對(duì)GaP（綠）:λmax＝570nm，Δλ

＝25nm。器件工作時(shí)的溫度會(huì)影響發(fā)射光譜，隨著溫度升高，Δλ

變大，λmax也會(huì)發(fā)生漂移0.3~o.4nm/度，Δλ

在光通信中是一個(gè)很重要的參量。6、響應(yīng)時(shí)間在快速顯示，快速調(diào)制時(shí)，器件對(duì)信息的反應(yīng)速度，即對(duì)啟亮和熄滅時(shí)間有一定的要求，LED響應(yīng)時(shí)間由以下因素決定：LED的上升（啟亮）與I有關(guān)。隨著I上升，啟亮?xí)r間近似指數(shù)增長(zhǎng)，這與發(fā)光中心和其它陷阱俘獲載流子的情況有關(guān)，而LED的衰減與I無(wú)關(guān)。因?yàn)長(zhǎng)ED是少子注入的正向偏置的p-n結(jié)的自發(fā)輻射。響應(yīng)時(shí)間與少子的壽命、結(jié)電容、寄生電容有關(guān)，但是主要由壽命決定LED的響應(yīng)時(shí)間很短，主要是由于載流子的直接躍遷復(fù)合時(shí)間較短。對(duì)GaP為100ns，GaAsP只有幾個(gè)ns。7、壽命LED的壽命一般很長(zhǎng)，j＝1A/cm2,壽命為106h，與j有關(guān)，近似表示為影響LED壽命的因素有：表面漏電流的增加象銅之類的沾污物的內(nèi)擴(kuò)散在p-n結(jié)附近形成非輻射復(fù)合中心。對(duì)于前面兩個(gè)因素，可采用合適的鈍化、封裝以及清洗技術(shù)予以消除，對(duì)于后一個(gè)原因可以在制作LED時(shí)盡量保證晶格的完整性，降低其缺陷密度，來(lái)達(dá)到緩解非輻射復(fù)合中心產(chǎn)生的速度，但不能完全消除。2.3.4LED顯示器件常用材料性能1、GaAs：Eg＝1.43ev,直接帶隙，λmax在紅外線范圍，不能直接用于顯示GaAs：Siλmax＝940nm；GaAs：Znλmax＝900nm近年來(lái)研制成功的將稀土熒光粉LaF3：Y：Er涂于芯片上，可將紅外轉(zhuǎn)移到綠光這是利用多次連續(xù)機(jī)理原理實(shí)現(xiàn)的。選擇適當(dāng)?shù)臒晒夥劭梢缘玫綒怏w顏色的光。其缺點(diǎn)是：發(fā)光不均勻，響應(yīng)速度慢2、GaPEg＝2.25ev,間接帶隙，這類器件有：Λmax(nm)外量子效率（％）顏色GaP:ZnO6903~15紅光GaP：N、O5900.05黃光GaP：N5500.05~0.7綠光優(yōu)點(diǎn)：透光性能好，顏色豐富，摻入不同的雜質(zhì)，可發(fā)紅、黃、綠光；缺點(diǎn)：外量子效率低現(xiàn)已采用合成熔融擴(kuò)散技術(shù)和液相外延技術(shù)制成高效的綠色GaP的LED.3、GaAs1-xPx由GaAs和GaP混晶制成，x：混晶比Eg隨x變化

x<0.45器件為直接躍遷型

x>0.45器件為間接躍遷型摻N的GaAs1-xPx會(huì)使發(fā)光效率提高AlGaAsAlGaAswasthefirstmaterialforwhichveryhighbrightnessLEDsweredemonstrated.TheAlGaAssystemisnearlylattice-matchedtotheGaAssubstratesforallcompositions.WhentheAlcontentincreases,thebandgapbecomeslargeandindirect.WithincreasingAlcomposition,thewavelengthwillalsodecrease.AlGaInPTheAlGaInPsystemwasidentifiedearlyasoneofthemostpromisingforhigh-performanceLEDs.AlGaInPhavehighexternalquantumefficiency,like20%at630nm,10%at590nm,and2%at570nm.AlGaInNAlGaInNareverydifferentlyfromtheconventionalIII-Vsemiconductors.Duetotheyhavelargebondstrengths,sotheyrequirehighgrowthtempertures.TheycanbegrownonSiCandsapphire,butthelatticematchbetweenGaNandSiCismuchbetterthanforsapphire.Tungsten(60W)RedFilteredEdison'sFirstLightBulbHalogen(30W)Fluorescent(40W)Low-PressureSodium(18W)YellowFilteredGREENGaAsP0.60.4GaP:Zn,OGaP:Zn,OGaP:NGREEN

AlGaAs/GaAsAlGaAs/AlGaAsAlGaInP/GaAsAlGaInP/GaPRED

-

ORANGE-YELLOWBLUESiCBLUEPERFORMANCE(LUMENS/WATT)1000.1101GaAsPGaAsP:NRED

-

ORANGE-YELLOWRED

-

ORANGE-YELLOWInGaNRED

RED

RED

RED

196019701975198019851990199520002005RED

EvolutionoftheVisible-Spectrum

Light-EmittingDiodeCourtesyof:GreenFilteredInGaNInGaNYELLOWShapedAlGaInP/GaPRED

-

ORANGE-YELLOW2.4LED的應(yīng)用LED具有工作電壓低（1～3V），電流小（幾～幾十mA），響應(yīng)速度快（10-6~10-9s),壽命長(zhǎng)（105h），B高，可與半導(dǎo)體集成電路匹配，工藝簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)多路驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)，因此可以在以下方面得到很好的應(yīng)用：一、指示燈普通的鎢絲燈耐振動(dòng)性差、易破碎等問(wèn)題，LED指示燈不斷更新?lián)Q代，其壽命在數(shù)十萬(wàn)小時(shí)以上，而且功耗小，發(fā)光響應(yīng)速度快，亮度高，小型耐振動(dòng)等特點(diǎn)，在各種應(yīng)用中占有明顯的優(yōu)勢(shì)。常見的應(yīng)用：電話、音響制品、家電制品、各種計(jì)測(cè)儀表以及集中控制盤等許多領(lǐng)域中，有著廣泛的應(yīng)用。LED顯示屏的應(yīng)用領(lǐng)域：證券交易、金融信息顯示；機(jī)場(chǎng)航班等的動(dòng)態(tài)顯示等。White-lightLEDsWhitelightcanbegeneratedinseveraldifferentways.Onewayistomixtocomplementarycolorsatacertainpowerratio.Anotherwayisbytheemissionofthreecolorsatcertainwavelengthsandpowerratio.MostwhitelightemittersuseanLEDemittingatshortwavelengthandawavelengthconverter.TheconvertermaterialabsorbssomeorallthelightemittedbytheLEDandre-emitsatalongerwavelength.Twoparametersthatareimportantinthegenerationofwhitelightareluminousefficiencyandcolorrenderingindex.Itisshownthatwhitelightsourcesemployingtwomonochromaticcomplementarycolorsresultinhighestpossibleluminousefficiency.White-lightLEDsWavelengthconvertermaterialsincludephosphors,semiconductorsanddyes.Theparametersofinterestareabsorptionwavelength,emissionwavelengthandquantumefficiency.Theoverallenergyefficiencyisgivenby

η=ηext(λ1/λ2)Eveniftheexternalquantumefficiencyis1,thereisalwaysanenergylossassociatedwithconversion.Commonwavelengthconvertersarephosphors,whichconsistofaninorganichostmaterialdopedwithanopticallyactiveelement.AcommonhostisY3Al5O12.Theopticallyactivedopantisarareearthelement,oxideoranothercompound.CommonrareearthelementsusedareCe,Nd,ErandTh.WhiteLEDsbasedonphosphorconvertersAblueGaInN/GaNLEDandaphosphorwavelengthc