淺析LED三要素：IQE、LEE與EQE

　一.IQE、LEE與EQE定義

　　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(dá)如下：

　　IQE=單位時(shí)間內(nèi)有源層發(fā)射的光子數(shù)/單位時(shí)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(shí)間內(nèi)出射到空間的光子數(shù)/單位時(shí)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(shí)間內(nèi)出射到空間的光子數(shù)/單位時(shí)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(jiàn)光能的能力，外量子效率越高則發(fā)光效率越高。對(duì)于理想LED器件，此三個(gè)參數(shù)均為1，即可將注入的電能完全轉(zhuǎn)化為外界可見(jiàn)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(jī)制——非輻射復(fù)合，見(jiàn)圖1。當(dāng)電子與空穴發(fā)生非輻射復(fù)合時(shí)，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(dòng)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(shí)，在缺陷處會(huì)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(huì)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(qiáng)度較弱。而對(duì)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(shí)，由Snell定律可知，若入射角過(guò)大，會(huì)發(fā)生全反射。發(fā)生全反射時(shí)，光線無(wú)法進(jìn)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(shí)。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(duì)于藍(lán)寶石基GaN多量子阱結(jié)構(gòu)LED，藍(lán)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(gè)小于1的系數(shù)。

　　三. 對(duì)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(duì)LEE提高主要集中在了封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上了。

　　雖然根據(jù)Snell簡(jiǎn)單計(jì)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(huì)提高LEE，但這層材料的形狀可以改變LEE。

　　對(duì)IQE與LEE的提高自然可以提高EQE。

　　這里最想是說(shuō)一下關(guān)于這三個(gè)參數(shù)提高率之間的關(guān)系。

　　對(duì)于一個(gè)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(lái)計(jì)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