淺析LED三要素：IQE、LEE與EQE

　一.IQE、LEE與EQE定義

　　首先給出內量子效率(IQE：Internal Quantum Efficiency )、光析出率(LEE：Light Extraction Efficiency)與外量子效率(EQE：External Quantum Efficiency)參數的定義與表達如下：

　　IQE=單位時間內有源層發射的光子數/單位時間內注入到有源層的電子子數=(Pint/(hv))/(I/e) (1.1)

　　LEE=單位時間內出射到空間的光子數/單位時間內從有源層內出射的光子數=(P/(hv))/=(Pint/(hv)) (1.2)

　　EQE=單位時間內出射到空間的光子數/單位時間內注入到有源層的電子子數=(P/(hv))/(I/e)=IQE*LEE (1.3)

　　其中，Pint是有源區內發射出的光功率，I為注入電流，P是發射到自由空間的光功率。內量子效率表征了LED有源區將注入的電能轉化為光能的能力;光提取效率表征了LED有源區將產生的光能發射出去的能力;外量子效率表征了LED將電能轉化為外界可見光能的能力，外量子效率越高則發光效率越高。對于理想LED器件，此三個參數均為1，即可將注入的電能完全轉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。從發光二極管的工作原理我們得知，發光二極管是靠電子與空穴的輻射復合發光。但電子與空穴還存在另外一種復合機制——非輻射復合，見圖1。當電子與空穴發生非輻射復合時，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。

　　非輻射復合與外延層中的缺陷有關。當外延層中存在缺陷時，在缺陷處會形成復合中心，在該復合中心處更容易發生非輻射復合。缺陷密度越高，此種復合中心也越多，則會有更多的復合載流子發生非輻射復合。因此，在缺陷集中地區域，發光強度較弱。而對LED的LEE限制因素是材料的折射率

圖1　　當光線從高折射率的物質向低折射率的物質入射時，由Snell定律可知，若入射角過大，會發生全反射。發生全反射時，光線無法進入低折射率的物質，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而發射出去時。因此，全反射降低了光提取效率，LED芯片內部的光線只有一部分能發射出去。(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多量子阱結構LED，藍寶石、GaN與空氣的折射率分別為1.7、2.5與1，從而導致光子從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。

　　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外延層質量上了。

　　而對LEE提高主要集中在了封裝結構設計上了。

　　雖然根據Snell簡單計算可以發現，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于這三個參數提高率之間的關系。

　　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提高率之間的關系。

　　假設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