发光二极管

2021-03-22 14:38:15 浏览:261

定义

利用电致发光的半导体二极管。

发光二极管(Light-emitting Diode, LED)是一种光电子器件,通过电致发光机制产生光。它包含一个p-n结,电流通过其中。在异质结处,电流产生电子和空穴,二者复合时放出整数倍的光子能量。尽管基本的发光过程与激光二极管类似,但是发光二极管无激光产生,即发光二极管不采用受激辐射。它们的光谱也更宽。

2014年诺贝尔物理奖为发光二极管

2014年的诺贝尔物理学奖颁发给了Iasmu Akasaki, Hiroshi Amano和Shuji Nakamura,以表征他们”发明了高效的蓝光发光二极管,从而实现了明亮的、节能的白光光源“[6]。在该工作之前,并不能制备高效的蓝光LEDs,因此不能只做用于照明的白光LEDs光源。科学家成功的制作了基于铟镓氮的高效蓝光LEDs。同时,为了得到高质量的铟镓氮材料,也需要发展合适的方法。然而,尽管缺陷密度较大,器件仍然可以达到很高的效率。

由于近年来技术的发展,LED发光技术现在有了很广泛的应用,已经逐渐替代了传统的白炽灯。由于LED光源能效非常高,发电站放出的排放物(CO2,有毒气体,重金属等)可以显著减少。

材料和辐射波长

LED的中心波长也就是辐射颜色主要由半导体材料的带隙能量决定。LEDs可以覆盖整个可见光波长区域,但是所有波长能达到的输出功率和效率是不相等的。

图 1 两个发光二极管,分别发出白光和红光。

大多数LED芯片采用的是无机半导体材料。若需要得到深红色光,需要采用铝镓砷(AlGaAs)材料,这种材料在近红外激光二极管中也常用到。更短的波长区域,例如得到红色光,需要采用镓砷磷和铝铟镓磷。辐射波长在650nm附近时内量子效率可接近100%,而在更短的人眼最敏感的波长区域(620nm)时实现高效率更加困难。另一个面临的问题是在高功率LEDs中很难避免的温度升高的问题,这会降低量子效率且增大辐射波长。因此,高功率LEDs需要有效的冷却方法。需要注意的是,尽管光功率并不太高,但是发光体积和面积都很小。很常见几瓦的光面积仅有1平方毫米。

铟镓氮特别适合产生蓝光和紫光LEDs。该材料虽然具有很高的缺陷密度[3,16],但是也可以实现大于70%甚至90%的内量子效率。通过提高铟的含量可以得到更长的波长(绿色和黄色),但是随着波长变大,效率急剧降低。

图 2 两个高功率LEDs。右侧的器件包含四个芯片:两个用来产生绿光,另两个分别产生红光和蓝光。该装置被用作投影仪。 

技术上最难得到的可见光谱区域为绿-黄-橙光。在这一区域进行很多了研究。采用镓砷磷的LEDs比红光LEDs的效率低。锌砷和锌硒碲都被用来产生绿光,但是器件的寿命和效率并不能让人满意。因此考虑了很多其它的材料,包括二六族合金和氧硫族元素化物(例如,LaCuOS)。

Material Typical emission wavelengths
GaP:N 565 nm
AlInGaP 590–620 nm
GaAsP, GaAsP:N 610–650 nm
InGaP 660–680 nm
AlGaAs, GaAs 680–860 nm
InGaAsP 1000–1700 nm

表 1 发光二极管常用的半导体材料及其发射波长。

白光既可以通过混合红光、绿光和蓝光LEDs来得到,还可以采用蓝光LED和磷得到,磷可以将部分蓝光转化成更长波长的光。该转化过程通常是采用另一种半导体材料或者包含稀土离子的闪烁晶体来实现。例如,Ce3+:YAG可以将440-460nm的蓝光转化成520-640nm的黄光。改变基底材料,例如将YAG中 的镱换成钆,会平移铯离子的辐射范围。LEDs的显色指数通常不是太高,但是通过结合黄色和红色磷可以提高显色指数。

还有近红外LEDs采用铝镓砷材料,还有紫外LEDs采用氮化镓材料。

最新的LEDs发展是采用有机半导体材料,称为OLEDs(有机发光二极管)。还可以采用生物材料,例如,DNA分子就具有很高的电致发光效率。这种材料具有非常大的潜力,可以实现低成本的量产和机械上灵活的器件。因此今后具有非常广泛的光学应用。然而需要进一步的研究来提高器件效率和寿命。本词条侧重于无机LEDs。

器件结构

LEDs可制作成表面发射或者边发射器件。(这种区分于表面发射和端发射半导体激光器之间的区别相同。)下面会具体讨论。

表面发射LEDs

图 3 平板二极管LED的结构。有源区(红色区域)就在发射表面的下面。 

表面发射LEDs(SLEDs)具有很薄的有源区与表面平行。在简单的平面二极管结构(图3)中,有源区就在发射表面下面,并且电流由环形电极提供。发射在错误方向上的光会被衬底吸收。还有的器件衬底是透明的,背面的电极将光反射回来,可以再次利用。

另一种变形结构是Burrus类型LED,其中有源区在半导体结构更深的位置,并且刻蚀在结构中的沟槽能够实现更有效的光提取效率。也可以将光纤引入到该沟槽中得到光纤耦合LED。

一种特殊类型的为谐振腔LED(RC-LED),其中发光半导体结是嵌在两个分布布拉格反射器(布拉格反射镜)中间,即光学谐振腔之间。由于Q因子不高,因此不会产生激光,但是与普通的LEDs相比,方向性很强。这种方法很容易实现高效率的光提取,并且提高输出光的亮度,更适用于光纤通信应用。外量子效率很容易超过20%。辐射带宽比其它LEDs更窄。

边发射LEDs

边发射LEDs的结构类似于边发射半导体激光器:它们从切割晶片的边缘(也就是有源区与切割表面相交处)发射光。这种器件比表面发射LEDs具有更高的光纤耦合效率。应用在光纤通信中时,它们能得到更高的数据传输速率。

边发射LED的变种为超连续光二极管(SLD),其中自发辐射在波导中被放大。辐射方向性更强,因此亮度更高,即使SLDs输出功率很低时亦是如此。

发射光的性质

LEDs发出的光具有很低的空间相干性。发射的光最初为各个方向。尽管很多LED器件发射的光偏向于某一个方向(通常基于内置的反射结构),但是与激光二极管相比,光束的聚焦程度(光束质量)很低。

辐射带宽通常为几十纳米,甚至大于100nm,比激光二极管宽很多,并且可以与超发光二极管可比拟。这表明,发射光的时间相干性远低于激光,但是比白炽灯高很多。

效率

如上所述,LED内部产生光的过程可以具有很高的量子效率和功率效率,至少在蓝紫和红色光谱区域如此。然而,最初的发光二极管的效率较低。主要原因在于不能有效的将产生的光提取出来,大部分的光都在器件内部被吸收掉了。面临的一个很大困难就是半导体材料表面的全内反射:由于折射率很高,光只有在有效的入射角度时才能出射,即使如此也有很大部分的菲涅尔反射。在有些LEDs中,还有衬底对光的重吸收问题。

在二十世纪九十年代,有些改进的LED设计可以达到较高效的光提取,因此器件具有更高的效率。例如,采用粗糙的表面和集成光子晶体结构。现在发光效率可以很容易高于200 lm/W,比荧光灯高很多。除了提高光源本身的效率,定向发射的结构也更容易得到高效率,由于普通的全方向发射器中大部分光都损耗掉了。

镓铟氮材料的蓝光LEDs面临的一个问题是当LED被强泵浦时,效率降低很快。这一问题是由于直接和间接俄歇效应[15]

器件寿命

采用无机半导材料的发光二极管寿命很长,超过100000小时。因此LEDs属于最长寿的发光器件。

另一方面,LEDs对附加反向电压相对敏感,因此很容易由于静电放电和不恰当的使用而损坏。另外,如果工作电流或者环境温度过高也会降低器件的寿命。

电学特性

与其它半导体二极管类似,LED中电流只能从掺p端流向掺n端。高于几伏的反向电压可以损坏LED。

在前向,低电压时电流很小,随着电压的增大而迅速增大(指数增大)。因此,通常LEDs不能工作在恒定电压下,需要电流源或者采用一个简单的串联电阻连接到恒定电压上来稳定其中的电流。工作功率与工作电流成正比,除非温度的升高会降低量子效率。工作电压主要由材料的带隙能量决定,也就是由辐射波长决定;红光LEDs可以工作在小于2V电压下,而蓝光LEDs则需要4V的电压。

主要优势

发光二极管的主要优势体现在:

1、器件效率很高,电能消耗小并且产热少。灯泡的效率可以通过采用定向发射的LEDs来进一步提高,较少在灯罩中的损耗。

2、器件寿命很长。它的亮度通常是逐渐变小,而不是突然损坏。

3、大型的LED光包含多个LEDs,因此单个LEDs损耗的情况下仍然能够使用。这在涉及安全的应用中尤其重要(例如红绿灯)。

4、特定颜色的光可以直接产生(例如红绿灯)。这比采用白炽灯加颜色过滤器效率高,因为后者吸收掉了大部分光功率。

5、LEDs可用于尺寸小,重量轻的应用中。

6、机械强度很高,可以承受很强烈的机械振动。

7、如果通过采用单独的红光,绿光和蓝光LEDs得到白光,通过调节相对工作电流就可以调节色调。

8、通过降低电流或者快速开关等会使亮度变暗。任何情况下,使LED变暗,其功率效率是不变的,并且色调也不改变。但是白炽灯变暗就不会保持不变。

9、发光二极管的输出功率可以快速调制。调制频率可以达到几百MHz,由于载流子寿命只有几个纳秒。这在光学数据传输中非常有用。

10、LEDs包含很多有毒性的材料,例如砷化镓,但是量很小。

局限性

1、LED单位瓦特输出功率的成本较高。关于降低成本的发展非常迅速,主要是通过提高LED芯片的输出功率。另外,通过降低电能消耗和长寿命也可以降低成本。

2、尽管LED比具有相同光功率的白炽灯产热少,但是也需要采用散热措施以防止过热,从而减小寿命。

3、有些白光LEDs的显色指数很低,不适用于有些应用。

4、电子学装置可以提供恒定电压,还需要单独的电子学装置来稳定工作电流。可以采用相对简单的电子学器件,但是有时会破坏总体的功率效率。

发光二极管的应用

小的LEDs被广泛用作小的信号光。器件工作电流在5-20mA,产生的光足以在正常的条件下看到,并且可以采用不同的颜色来标记器件不同的信号状态。

由于LEDs可以快速调制,因此可以用在短距离的光纤通信中。然而由于其辐射光方向性很差,需要采用多模光纤,因此限制了传输距离,这比采用单模光纤和激光二极管发射器的系统成本低很多。功率调制速率快在颜色障碍物应用中也很有用,因为调制的LED光很容易与环境光区分,还有进行远程控制也有用途。

高功率LEDs巨大的发展使LEDs可以用来产生更强的信号和光。由于单位瓦特的成本仍然相对较高,并且输出功率有限,最初只应用到交通灯中,其只需要适中的光学功率,而对寿命的要求较高,并且LED在效率上的优势也很明显。另一个应用就是液晶显示器,例如笔记本电脑的屏幕,媒体播放器和手机屏幕,其能耗少能够使电池工作更长的时间。用于计算机和电视机屏幕另一个优势在于其可以得到更亮的颜色,与荧光灯比。

今后改进的器件可以将高功率白光LEDs用作汽车的灯,室内照明和街灯。在有些领域,例如飞机,包装尺寸小和低电能损耗非常重要。

参考文献

[1] G. Gu et al., “High-external-quantum-efficiency organic light-emitting devices”, Opt. Lett. 22 (6), 396 (1997)
[2] M. A. Baldo et al., “Highly efficient phosphorescent emission from organic electroluminescent devices”, Nature 395, 151 (1998)
[3] S. Nakamura, “The role of structural imperfections in InGaN-based blue light-emitting diodes and laser diodes”, Science 281, 5379 (1998)
[4] C. Adachi et al., “Nearly 100% internal phosphorescence efficiency in an organic light-emitting device”, J. Appl. Phys. 90 (10), 5048 (2001)
[5] J. Han and A. V. Nurmikko, “Advances in AlGaInN blue and ultraviolet light emitters”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 8 (2), 289 (2002)
[6] K. Streubel et al., “High brightness AlGaInP light-emitting diodes”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 8 (2), 321 (2002)
[7] N. K. Patel et al., “High-efficiency organic light-emitting diodes”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 8 (2), 346 (2002)
[8] B. W. D'Andrade and S. R. Forrest, “White organic light-emitting devices for solid-state lighting”, Adv. Mater. 16, 1585 (2004)
[9] J. M. Phillips et al., “Research challenges to ultra-efficient inorganic solid-state lighting”, Laser & Photon. Rev. 1 (4), 307 (2007)
[10] N. Zheludev, “The life and times of the LED – a 100-year history”, Nature Photon. 1 (4), 189 (2007)
[11] A. Khan et al., “Ultraviolet light-emitting diodes based on group three nitrides”, Nature Photon. 2, 77 (2008)
[12] S. Qingjiang et al., “Bright, multicoulored light-emitting diodes based on quantum dots”, Nature Photon. 2, 717 (2008)
[13] R. H. Horng et al., “Phosphor-free white light from InGaN blue and green light-emitting diode chips covered with semiconductor-conversion AlGaInP epilayer”, IEEE Photon. Technol. Lett. 20 (13), 1139 (2008)
[14] M. H. Crawford, “LEDs for solid-state lighting: performance challenges and recent advances”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 15 (4), 1028 (2009)
[15] E. Kioupakis et al., “Indirect Auger recombination as a cause of efficiency droop in nitride light-emitting diodes”, Appl. Phys. Lett. 98 (16), 161107 (2011)
[16] Nobel Prize in Physics 2014, http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/press.html

参阅:发光、超发光二极管、激光二极管

光学器件

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