技術知識：提高LED內量子與電光轉換效率的原理分析

LED的PN結上施加正向電壓時，PN結會有電流經過，電子和空穴在PN結過渡層中復合會產生光子。然而并不是每一對電子和空穴都會產生光子，由于PN結作為雜質半導體，存在著材料品質、位錯因素以及工藝上的種種缺陷，會產生雜質電離、激發散射和晶格散射等問題，使電子從激發態躍遷到基態時與晶格原子或離子交換能量時發生無輻射躍遷，也就是不產生光子，這部分能量不轉換成光能而轉換成熱能損耗在PN結內，于是就有一個復合載流子轉換效率，以Nint符號表示。

Nint=(復合載流子產生的光子數/復合載流子總數)×100%

當然，很難去計算復合載流子總數和產生的光子總數。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就稱為內量子效率。

提高內量子效率要從LED的制造材料、PN結外延生長工藝以及LED發光層的出光方式上加以研究才可能提高LED的Nint，這方面經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發展，還有提高Nint的很大空間。

假設PN結中每個復合載流子都能產生一個光子，是不是可以說，LED的電一光轉換效率就達到100%? 回答是否定的。

從半導體理論可以知道，由于不同的材料和外延生長工藝的不同，所制成的LED的發光波長是不同的。假設這些不同發光波長的LED其內量子效率均達到 100%，但由于一個電子N型層運動到PN結有源層和一個空穴從P型層運動到PN結有源層，產生復合載流子所需的能量E與不同波長的LED的能帶位置相關都不一樣。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%。可見，這就是LED的光一電轉換效率不是很高的原因。上面已經了解到PN結有源層的電一光轉換效率不是很高，有相當一部分電能沒有轉換成光能，而是轉換成熱能損耗在PN結內，成為PN結的發熱源。業界正在通過材料、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中產生的光子逸出到空氣中的比率。

Nout=(逸出到空氣中的光子數/PN結產生的光子總數)×100%

以上公式可以為LED的內量子效率。為方便說明，我們假定LED的材料為GaAs,其材料的折射系數為N1=3.9，與芯片接觸的界面是空氣，它的光折射系數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不相同時，其垂直于界面的光的反射函數可用下式來表示：

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，不能逸出到空氣中，僅有64.98%有可能逸出到空氣中。然而，LED的發光若是一個點光源時，其邊界全發射臨界的半角Θc與界面兩種材料的折射系數有關，并由以下公式確定：Θc=Arcsin(Ndn1)

對于GaAs和空氣：Θc=Arcsin(1/3.9)=14.90°

邊界全發射臨界角為29.8°，超過這個角度不能發射到空氣中，顯然這對一個球面而言，這個角度僅8.27%的區域能全發射，顯然內量子效率是極低的。

當然對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光臨界角，共有49.6%的出光區域。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%的全發射區域。LED內量子效率一般僅在20%左右，它還有很大的提升空間，就是要綜合LED芯片結構、封裝結構、材料折射系數等方面因素加以解決，來提高出光效率。

近幾年因環保、節能、半導體的綜合優勢，LED取代傳統光源已鋒芒畢露，但需要LED的發光效率有更大的突破才可以實現廣泛應用，要提高發光效率就跟以上內量子效率與電光效率息息相關!技術提高的同時帶動成本下降，半導體照明才可以發揮科技優勢!