LED本质上是单色的，转换效率取决于发射的波长。所以LED将发射出中心频率为ν1、半最大值全宽度为ΔνFWHM的光线。图1-13 一种直接带隙半导体的能带图图1-14 LED发出准单色光谱，但光的 强度和光谱宽度与结温密切相关实际中，第1个商用LED是红色的。注意式（1-2）和式（1-3）得到的值与结温密切相关，所以如果结温发生变化，LED的颜色将随着时间发生彻底的改变。......
2023-06-15
LED光输出效率与外量子效率的数量级分析
【摘要】：最佳情况下，LED的工作电压约为3V。为了获得50%的外部效率，350×350μm2和1×1mm2的发热量分别约为0.5W和1.5W，相当于几百瓦每平方厘米。在详细介绍二极管的结构之前，首先给出两种发射波长的外量子效率数量级和能达到的光输出效率数量级[KRA 07]。图4-2所示为两种二极管在连续波工作及没有有效热管理情况下的外量子效率和光输出。对于蓝光二极管，EQE在340mA情况下约为56%，在低注入情况下可达62%。
目前，LED芯片的尺寸几乎是规格化的：350×350μm2和1×1mm2，额定电流分别为350mA和1A。尺寸更大的芯片已经开始出现。市售的大功率LED包含若干个芯片（通常为4～6个），它们于工艺流程中的封装阶段被集成在一起。最佳情况下，LED的工作电压约为3V（GaN能带隙为2.7eV，2.7V为理论最低工作电压）。为了获得50%的外部效率，350×350μm2和1×1mm2的发热量分别约为0.5W和1.5W，相当于几百瓦每平方厘米。器件的热管理显然十分关键，因为严重的发热会降低寿命和二极管的内量子效率。以目前的微处理器作为比较对象，1.2×1.2cm2的芯片面积发热为80～100W，相当于功率密度为60W/cm2。虽然使用了大型散热片（通常为25cm2），器件仍工作于100℃左右！所以对于电致发光器件而言，从结内电注入（串联电阻、能带工程）到封装（散热片）的整个设计过程中，技术的选择必须受制于热管理。下面对此进行举例说明，我们在实验室对一种市售大功率LED芯片做了测试。这种1×1mm2的散装芯片置于一块玻璃板中，在700mA条件下工作了几分钟之后，芯片熔化连接于玻璃板上。这说明芯片温度达几百摄氏度。然而，虽然效率降低，但是LED仍然在工作！另外，图4-1所示为CEALETI Minatec首批制造的一种1×1mm2的LED在连续波大电流工作状态下，电接触出现的老化现象。
图4-1 电阻性p型接触在大电流注入时的老化现象（1mm2的面积通过1A电流）
对于GaN二极管，材料的能带隙使阈值电压为2.7V。在提交给能源部的最新进展报告中，CREE公司[IBB 07]发布了一种阈值电压为3.15V、电流为700mA的LED，相应的串联电阻为0.64Ω。该结果是注入设计和欧姆接触优化的结果。
在详细介绍二极管的结构之前，首先给出两种发射波长的外量子效率数量级和能达到的光输出效率数量级[KRA 07]。
图4-2所示为两种二极管在连续波工作及没有有效热管理情况下的外量子效率（EQE）和光输出。两种二极管的结构将于下面给出。对于蓝光二极管，EQE在340mA情况下约为56%，在低注入情况下可达62%。这种器件被称为“瓦特级”，它们在1A连续波电流时的光输出为1.3W左右。对于绿光二极管，EQE在350mA时只有29%，低注入时也只能达到36%，最大光输出也只有500mW。
图4-2 波长425nm和520nm的外量子效率及光发射输出（芯片尺寸：1×1mm2）[KRA 07]
本例参考了2007年6月的最新技术水平，在一定程度上说明了挑战科学家的问题：一方面要阻止电流增加时效率的下降；另一方面要研发出与蓝光二极管效率相媲美的绿光二极管。
关于第二个问题，研究集中于外延技术。目标是实现富铟InGaN基多级量子阱。
EQE的降低主要归因于内量子效率（IQE）的降低（结一级的），而IQE的降低是注入电流和焦耳热增加的结果。解决这个问题的方法是研究特殊的技术，本章将对此进行介绍。
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2023-06-26
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