LED与LD发光特性与结构研究.doc

武汉轻工大学毕 业 设 计（论 文）设计题目：LED与LD发光特性与结构研究姓 名 张卫 学 号 院（系） 电气与电子工程学院 专 业 电子信息科学与技术 指导教师 李鸣 2023年6月7日目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 LED及LD技术发展的由来11.2 LED及LD技术发展历程11.3 LED发展的必要意义21.4 本文工作及章节安排4第2章LED与LD理论基础52.1复合方式 52.2 LED和LD的理论知识62.2.1 LED与LD基本结构62.2.2 LED和LD的发光原理62.2.3 LED和LD的结构图片72.3 LED的相关特性82.4 LD的相关特性112.4.1同质结、异质结半导体激光器结构 112.4.2激光半导体重要参数132.5 各种类型的激光器142.6 LED与LD的区别15第3章 实验条件下LED和LD的相关特性163.1 LED和LD的P-I特性与发光效率163.2 LED和LD的光谱特性173.3 LED和LD的调制特性183.4小结19第4章 新型大功率LED照明灯散热技术204.1 目前LED灯存在的问题204.2设计产品的样式以及优点204.3 设计产品的优化原理以及分析234.4 小结25致谢26参考文献27摘要本论文一方面讲述了二极管发展的由来，介绍了二极管产业的现状和发展趋势以及应用情况，并学习二极管的基本结构，进而了解其发光特性和各种特性参数，并对一些特性做了分析，在第四章，我们重要是对目前LED灯存在的问题作出改善，设计一种新的样式，使得LED灯的发展前景更加广阔。关键词：发光二极管；激光二极管；相关特性AbstractFirst tells the story of the origin of the diode development ,this paper introduces the diode industry present situation and development trend and application situation, and study the basic stucture of diode, and then understand its luminescence properties and various characteristic parameters, and has made the analysis of some feature, in the fourth chapter, we mainly make improvement on current problems of LED lights, to design a new style, making LED lights have more broad prospects for development. Key words:Light emitting diode;Laser diode;Relevant features第1章 绪论1.1 LED及LD技术发展的由来早在1947年的美国贝尔实验室就发现了当时只是称为半导体点接触式的晶体管，也是从这时开始了人类的硅文明时代，严格地讲，术语LED(lightemittingdiode 简称为LED)应当仅用于发射可见光的二极管；发射近红外辐射的二极管叫红外发光二极管；发射峰值波长在可见光短波限附近，由部分紫外辐射的二极管称为紫外发光二极管；我们今天论文中是把这三种半导体二极管统称为发光二极管。1.2 LED及LD技术发展历程LED的发展历程：50年前人们就已经了解到半导体材料可产生光线的基本知识，但是直到1962年，通用电气公司的尼克何伦亚克才开发出第一种可以实际应用的可见光发光二极管。最初LED只是用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。当时在美国本来是采用长寿命、低光效的140w白炽灯作为光源，它产生2023lm的白光。经红色滤光片后，光损失只剩下200lm的红光。而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，涉及电路损失在内，共耗电14w，即可产生同样的光效。此外，汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。可以说LED的开发是继白热灯照明发展历史12023以来的第二革命。从21世纪到现在，通过在自然，人类和科学之间奇妙的相遇而开发的LED，将成为光世界的创新，是人类必不可少的绿色技术光革命。激光二极管(laser diode 简称为LD)，LD的发展历程可以分为三个阶段：最初的LD是20世纪60年代初期出现的同质结型激光器，它是在一种材料上制作的P-N结二极管，在正向大电流注入下，电子不断地向P区注入，空穴不断地向N区注入。于是，在本来的P-N结耗尽区内实现了载流子分布的反转，由于电子的迁移速度比空穴的迁移速度快，在有源区发生辐射、复合，发射出荧光，在一定的条件下发生激光，这是一种只能以脉冲形式工作的LD。LD发展的第二阶段是异质结构半导体激光器，它是由两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs，GaAlAs所组成，最先出现的是单异质结构激光器(1969年)。单异质结注入型激光器(SHLD)是运用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsP-N结的P区之内，以此来减少阀值电流密度，其数值比同质结激光器减少了一个数量级，但是单异质结激光器仍不能在室温下连续工作。随着异质结激光器的研究发展，人们想到将超薄膜(20nm)的半导体层作为激光器的激活层，可以产生量子效应，于是在1978年出现了世界上第一只半导体量子阱激光器(QWL)，它大幅度地提高了LD的各种性能。后来，又由于MOCVD，MBE生长技术的成熟，能生长出高质量超精细薄层材料，之后，便成功地研制出了性能更加良好的量子阱激光器，量子阱半导体激光器与双异质结(DH)激光器相比，它具有阈值电流低、输出功率高，频率响应好，光谱线窄和温度稳定性好和较高的电光转换效率等许多优点。 从20世纪70年代末开始，LD明显向着两个方向发展，一类是以传递信息为目的的信息型激光器。另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。在泵浦固体激光器等应用的推动下，高功率半导体激光器在20世纪90年代取得了突破性进展其标志是半导体激光器的输出功率显著增长，国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化，国内样品器件输出已达成600W。假如从激光波段的被扩展的角度来看，先是红外半导体激光器，接着是670nm红光半导体激光器大量进入应用，接着，波长为650nm，635nm的问世，蓝绿光、蓝光半导体激光器也相继研制成功。为适应各种应用而发展起来的半导体激光器尚有可调谐半导体激光器，此外，尚有高功率无铝激光器(从半导体激光器中除去铝，以获得更高输出功率，更长寿命和更低造价的管子)、中红外半导体激光器和量子级联激光器等等。其中，可调谐半导体激光器是通过外加的电场、磁场、温度、压力等改变激光的波长，可以很方便地对输出光束进行调制。 20世纪90年代出现并特别值得一提的是面发射激光器(SEL)，早在1977年，人们就提出了所谓的面发射激光器，并于1979年做出了第一个器件，1987年做出了用光泵浦的780nm的面发射激光器。1998年GaInAIP/GaA面发射激光器在室温下达成亚毫安的网电流，8mW的输出功率和11%的转换效率。前面谈到的LD，从腔体结构上来说，不管是F-P(法布里一泊罗)腔或是DBR(分布布拉格反射式)腔，激光输出都是在水平方向，统称为水平腔结构。它们都是沿着衬底片的平行方向出光的。而面发射激光器却是在芯片上下表面镀上反射膜构成了垂直方向的F-P腔，光输出沿着垂直于衬底片的方向发出，垂直腔面发射半导体激光器(VCSEIS)是一种新型的量子阱激光器，它的激射阔值电流低，输出光的方向性好，藕合效率高，能得到相称强的光功率输出，垂直腔面发射激光器已实现了工作温度最高达71。20世纪90年代末，面发射激光器和垂直腔面发射激光器得到了迅速的发展，且已考虑了在超并行光电子学中的多种应用。980nm，850nm和780nm的器件在光学系统中已经实用化。目前，垂直腔面发射激光器已用于千兆位以太网的高速网络。为了满足21世纪信息传输宽带化、信息解决高速化、信息存储大容量以及军用装备小型、高精度化等需要，半导体激光器的发展趋势重要在高速宽带LD、大功率LD，短波长LD，量子点激光器、中红外LD等方面。目前，在这些方面取得了一系列重大的成果1 。1.3 LED发展的必要意义在我国目前最常见的路灯照明光源为高压放电(HID)型式，如高压钠灯、金卤灯以及低压钠灯和高压汞灯等。其缺陷是： 1. 传统路灯的光源中具有重金属物质，污染环境，并且光源为球形发光，光发散不易控，光线易溢出指定照射区域，所以形成光污染；2. 传统路灯光源的能耗是LED的5-10倍，在我们国家照明用电约占总电量的12%。假如按保守估计，2023年我国总发电量将达成30000亿度，照明用电约3600亿度，其中将近70%的用于道路照明。如能节约一半的道路照明用电将近1300亿度，相称于三峡电站的年发电量的1.5倍；3. 在显色性方面：传统路灯较差，显色指数只能达成20-40左右；4. 在均匀度方面：传统路灯均匀度低，垂直照度虽可达道路照明标准，但边沿照度远远低于垂直照度，均匀度差，不能达成道路照明标准；5. 传统路灯只能达成“亮”的层次，谈不上照明“质”的层次。传统路灯光的方向不可控，在路面形成圆形光斑，产生局部阴影，照明效果不佳，对行人和车辆驾驶人员在视觉方面导致影响，容易产生交通事故。 随着高亮度白光发光二极管(LED)的技术不断进步，大功率的LED照明技术日趋成熟，目前已经商业化的大功率白光LED光源，每灯可达成80到120 lm的光度输出，效率大约在80 lm/W，在以后估计可以到达每灯管200 lm，发光效率则可望达成160 lm/W。此外LED光源具有器件性能稳定、高效、节能、长寿命、显色指数较好等优点。此外，在节能环保的巨大压力下，国外政府采用相关政策鼓励和推广LED照明产品应用。2023年12月日本出台改善与提高能源使用的促进税法，明确规定公司或机构使用LED照明取代白炽灯照明，可获得投资额130%超额折旧，或者是投资额7%的税率减免；欧盟2023年7月开始实行RoHs法案，限制含汞的荧光灯管的使用；美国加州立法者建议到2023年实行白炽灯严禁令；2023年2月澳大利亚政府宣布将逐步淘汰白炽灯；我国台湾2023年限制白炽灯的使用；国家发改委、财政部、科技部等部门正在努力推动LED产品取代传统的白炽灯和高压钠灯等传统光源，并确立了到2023年实现节能260亿元人民币的目的。在技术和政策的推动了LED路灯成为替代传统路灯的首选。下面我们就LED路灯与传统路灯(高压钠灯)对比在重要性能方面的优点有：1. 环保：LED是全固体发光体，可以承受高强度机械冲击和震动，不易破碎，废弃物便于回收。并且LED光源自身不含汞、铅等有害物质，无红外和紫外污染，不会在生产和使用中产生对外界的污染。使用太阳能电池供电，会更有助于环保；2. 节能：发光效率高，灯具反射损失低，节省能源70%；在同样亮度下耗电量仅为普通白炽灯的1/10；3. 寿命长，维护成本低：LED理论寿命超过10万小时，LED路灯的实际使用寿命在5万小时以上，是高压钠灯15倍以上的寿命，维护费用低；4. 显色性佳：LED路灯的色温可以在4000-7000K之间灵活选择，显色指数最可达80以上，发光颜色更接近于自然光，路面看起来更明亮，感觉更舒适，驾驶人员也感觉更安全；5. 光效运用率高：LED光源运用率高，约为90%，LED发光角度同灯具的发光角度可保持一致，LED路灯的光可以直接照射到指定区域，光源运用率高；6. 启动时间短：LED路灯将不存在启动延时问题，可随时接通，随时工作，可以非常方便地实现智能化节能控制；7. 供电系统：LED路灯用专用驱动模块，不需要大型的变压器，整个驱动器能实现恒流驱动，保证了电压变化时LED路灯亮度不变。此外，驱动器有许多保护功能，在异常情况下，保障整个电网的可靠性；同时，作为低压灯具，安全性好也是LED的突出优点。基于LED在节能、减排、环保等方面的独特优势，半导体照明被誉为人类照明的第三次革命，其应用领域也正在被快速拓展。至于在LED路灯方面，据业界记录，全球整体路灯市场规模目前约1.6亿盏，其中，我国占1700万盏，预估2023全球LED路灯照明市场规模约91万盏，其中，我国占有超过50%的路灯装置需求，另从产值的角度来看，今年全球LED路灯总产值约10亿美元，中国是目前全球城市化进程最快的国家之一，可以预料在未来的数十年内，全国各地对于大功率、高亮度、节能的LED路灯产品的市场需求是极其庞大的。目前路灯应用市场已经启动，随着效率的进一步提高和技术的日趋完善，将有不久的发展，市场前景更为看好。面对难得的发展机遇和市场需要，LED路灯虽然还存在局限性之处，如没有统一的标准等问题，但是由于节能环保的特点LED路灯的发展已经形成一种趋势1。从上面LED和LD的发展史中，我们可以看出LED灯比常规的照明灯有更多的优点，所以早在1956年，我国提出“向科学进军”，根据国外发展电子器件的进程，提出来中国也要研究半导体科学，把半导体技术列为国家四大紧急措施之一。但是LED技术也有一些缺陷，比如说它的散热性较差，不适宜于长期使用，本文将探究一下相关问题的解决办法。1.4 本文工作及章节安排因此，想要有效的发展LED及LD技术，真正理解LED和LD的基本结构以及发光原理和相关特性是有必要的。本文的目的就是在基本结构的基础上，了解其发光原理以及一些应用，让我们以后可以更好的发展LED和LD技术。第一章绪论重要介绍LED和LD的历史发展背景以及课题的研究内容及目的；第二章则重要讲述了LED和LD的基本结构和发光原理以及一些相关特性；第三章则是对LED的相关特性做的一些测试实验；第四章是对目前LED灯存在的问题做的一个改善，使得它的应用范围更加广泛，最后结论，对本文所做的工作进行总结归纳，并提出本文有待解决的一些问题和进一步的研究方向。第2章LED与LD理论基础LED和LD都是在半导体的基础上发展起来的，但是两者的区别却较大，以下从LED和LD的基本理论知识来讲述。2.1复合方式 复合方式指的是半导体材料中电子或载流子的状态。1.带间复合半导体材料中导带底的电子同导带顶的空穴复合，其能量大小为： （2-1） 所以有： （2-2）式(2-1)和(2-2)中 和的单位分别为和。2一般来说，载流子不完全位于导带底最低处和导带顶最高处，而是导带底和价带顶附近的载流子都会参与这种带间复合，因而这种带间复合的发射光谱具有一定的宽度。2.浅杂志与带间的复合浅施主-价带，导带-浅受主间的载流子复合产生的辐射光为边沿发射，其光子能量总比禁带宽度小。3.施主-受主复合施主能级上的电子同受主能级上的空穴复合产生辐射复合，其光子能量小于，简称对复合。4.激子复合在某些情况下，晶体中的电子和空穴可以稳定地结合在一起，形成一个中性“准粒子”，能在晶体中作为一个整体存在，这种“准粒子”就叫做激子。5.深能级复合和等电子陷阱复合 以等电子杂质替代晶格基质原子，因其原子大小和电负性等性质与基质原子不同，导致电子和空穴的束缚态，其作用好象陷阱，故通常称之为等电子陷阱。运用等电子陷阱复合，可以使间接带隙材料的发光效率得到提高。等电子中心是半导体中的一种深能级杂质所产生的一种特殊的束缚状态。等电子杂质与所取代的基质原子具有相同价电子数目的一类杂质；一般不是电活性的，在半导体中不应产生能级状态。等电子杂质有时在禁带中可产生出可以起陷阱作用的深能级，故又称等电子中心为等电子陷阱。6.自发辐射处在激发态的原子中，电子在激发态能级上只能停留一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去，同时辐射出一个光子，这种辐射叫做自发辐射。自发辐射是不受外界辐射场影响的自发过程，各个原子在自发跃迁过程中是彼此无关的，不同原子产生的自发辐射光在频率、相位、偏振方向及传播方向都有一定的任意性。7.受激辐射本来处在高能级的原子，还可以在其他光子的刺激或感应下，跃迁到低能级，同时发射出一个同样能量的光子。由于这一过程是在外来光子的刺激下产生的，所以被称为受激辐射3。2.2 LED和LD的理论知识2.2.1 LED与LD基本结构LED重要由P-N结芯片、电极和光学系统组成。当在电极上加正向偏置电压之后，电子和空穴分别注入P区和N区。当处在不平衡状态下的少数载流子与多数载流子复合时，就会以辐射的形式将多余的能量转化为光能。LD的物理结构是在发光二极管的结间安顿一层具有光活性的半导体，其端面通过抛光后具有部分反射功能，因而形成一光谐振腔。在正向偏置的情况下，LED结发射出光来并与光谐振腔互相作用，从而进一步激励从结上发射出单波长的光，这种光的物理性质与材料有关。图2-1 LED的基本结构图图2-2 LD的结构图2.2.2 LED和LD的发光原理发光二极管的发光原理：发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为P-N结。在某些半导体材料的P-N结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。P-N结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种运用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处在正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。激光二极管的发光原理：半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。当半导体的P-N结加有正向电压时，会削弱P-N结势垒，迫使电子从N区经P-N结注入P区，空穴从P区通过P-N结注入N区，这些注入P-N结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为的光子，其公式如下： (2-3) 式中：h普朗克常数；c光速；半导体的禁带宽度。上述由于电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。当自发辐射所产生的光子通过半导体时，一旦通过已发射的电子-空穴对附近，就能激励两者复合，产生新光子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。假如注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，导致选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。当增益大于吸取损耗时，就可从P-N结发出具有良好谱线的相干光-激光，这就是激光二极管的发光原理。2.3 LED的相关特性LED是运用化合物材料制成P-N结的光电器件。它具有P-N结结型器件的电学特性：I-V特性、C-V特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。2.3.1 LED电学特性1. I-V特性：表征LED芯片P-N结制备性能重要参数。LED的I-V特性具有非线性和整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。图2-3 LED的I-V特性曲线(1)正向死区：(图oa或oa段)a点对于V0为启动电压(2)正向工作区：电流IF与外加电压呈指数关系(3)反向死区：V0时P-N结加反偏压V=-VR时，反向漏电流IR(V=-5V)时，GaP为0V，GaN为10A。(4)反向击穿区V-VR，VR称为反向击穿电压；VR电压相应IR为反向漏电流。当反向偏压一直增长使VTa时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量(功率)，可表达为 (2-4)3. 响应时间 响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。 (1)响应时间从使用角度来看，就是LED点亮与熄灭所延迟的时间， (2)响应时间重要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。 LED的点亮时间-上升时间tr是指接通电源使发光亮度达成正常的10%开始，一直到发光亮度达成正常值的90%所经历的时间。LED的熄灭时间-下降时间tf是指正常发光减弱至本来的10%所经历的时间。 不同材料制得的LED响应时间各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs其响应时间10-9s，GaP为10-7s。因此它们可用在10-100MHz高频系统。42.3.2 LED光学特性发光二极管有红外(非可见)与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学特性。1. 发光法向光强及其角分布 (1)发光强度(法向光强)是表征发光器件发光强弱的重要性能。LED大量应用规定是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90。当偏离正法向不同角度，光强也随之变化。发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。(2)发光强度的角分布是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。它重要取决于封装的工艺(涉及支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否)。 为获得高指向性的角分布可以使LED管芯位置离模粒头远些，或者使用圆锥状(子弹头)的模粒头，以及封装的环氧树脂中勿加散射剂。 采用上述措施可使LED大大提高了指向性。 当前几种常用封装的散射角圆形LED：5、10、30、45。2. 发光峰值波长及其光谱分布 (1)LED发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线-光谱分布曲线。当此曲线拟定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及P-N结结构(外延层厚度、掺杂杂质)等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。(2)谱线宽度：在LED谱线的峰值两侧处，存在两个光强等于峰值(最大光强度)一半的点，此两点分别相应P-，P+之间宽度叫谱线宽度，也称半功率宽度或半高宽度。半高宽度反映谱线宽窄，即LED单色性的参数，LED半宽小于40nm。 (3)主波长：有的LED发光不单是单一色，即不仅有一个峰值波长；甚至有多个峰值，并非单色光。为此描述LED色度特性而引入主波长。主波长就是人眼所能观测到的，由LED发出重要单色光的波长。单色性越好，则P也就是主波长。如GaP材料可发出多个峰值波长，而主波长只有一个，它会随着LED长期工作，结温升高而主波长偏向长波。3. 发光效率和视觉灵敏度 (1)LED效率有内部效率(P-N结附近由电能转化成光能的效率)与外部效率(辐射到外部的效率)。前者只是用来分析和评价芯片优劣的特性。LED最重要的特性是用辐射出光能量(发光量)与输入电能之比，即发光效率。(2)视觉灵敏度是使用照明与光度学中一些参量。人的视觉灵敏度在=555nm处有一个最大值680 lm/w。若视觉灵敏度记为K，则发光能量P与可见光通量F之间关系为 (2-5) (2-6)(3)发光效率-量子效率是指发射的光子数与P-N结载流子数之间的比值，公式为：(e/hcI) (2-7)若输入能量为，则发光能量效率,若光子能量,则。（4）流明效率：是指LED的光通量F与外加三极管耗电功率的比值，它是评价具有外封装LED特性，LED的流明效率高指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大，故也叫可见光发光效率5。下列出几种常见LED流明效率(可见光发光效率)：表2-1 常见LED流明效率由于LED材料折射率很高。当芯片发出光在晶体材料与空气界面时(无环氧封装)若垂直入射，被空气反射，反射出的占32%，鉴于晶体自身对光有相称一部分的吸取，于是大大减少了外部出光效率。2.3.3热学特性LED的光学参数与P-N结结温有很大的关系。一般工作在小电流IFIth时才发出激光。在Ith以上，光功率P随I线性增长。阈值电流是评估半导体激光器性能的一个重要参数，我们可以采用两段直线拟合法对其进行测定。如图3-2所示，将阈值前与后的两段直线分别延长并相交，其交点所相应的电流即为阈值电流Ith。发光效率是描述LED和LD电光能量转换的重要参数，发光效率可分为功率效率和量子效率。功率效率定义为发光功率和输入电功率之比，以表达。量子效率分为内量子效率和外量子效率。内量子效率定义为单位时间内辐射复合产生的光子数与注入P-N结的电子-空穴对数之比。外量子效率定义为单位时间内输出的光子数与注入到P-N结的电子-空穴对数之比。图3-1 LD和LED的P-I特性曲线 (a) LD的P-I特性曲线 (b) LED的 特性曲线图3-2 两段直线拟合法测量LD阈值电流3.2 LED和LD的光谱特性LED没有光学谐振腔选择波长，它的光谱是以自发辐射为主的光谱，图3-3为