浅析LED三要素：IQE、LEE与EQE

  　一.IQE、LEE与EQE定义

　　首先给出内量子效率(IQE：Internal Quantum Efficiency )、光析出率(LEE：Light Extraction Efficiency)与外量子效率(EQE：External Quantum Efficiency)参数的定义与表达如下：

　　IQE=单位时间内有源层发射的光子数/单位时间内注入到有源层的电子子数=(Pint/(hv))/(I/e) (1.1)

　　LEE=单位时间内出射到空间的光子数/单位时间内从有源层内出射的光子数=(P/(hv))/=(Pint/(hv)) (1.2)

　　EQE=单位时间内出射到空间的光子数/单位时间内注入到有源层的电子子数=(P/(hv))/(I/e)=IQE*LEE (1.3)

　　其中，Pint是有源区内发射出的光功率，I为注入电流，P是发射到自由空间的光功率。内量子效率表征了LED有源区将注入的电能转化为光能的能力;光提取效率表征了LED有源区将产生的光能发射出去的能力;外量子效率表征了LED将电能转化为外界可见光能的能力，外量子效率越高则发光效率越高。对于理想LED器件，此三个参数均为1，即可将注入的电能完全转化为外界可见的光能。

　　二.影响IQE、LEE与EQE因素

　　外延层中的缺陷限制了LED的IQE。从发光二极管的工作原理我们得知，发光二极管是靠电子与空穴的辐射复合发光。但电子与空穴还存在另外一种复合机制——非辐射复合，见图1。当电子与空穴发生非辐射复合时，多余的能量以声子的形式传递给附近的原子，增加了原子的动能。宏观上讲，使得LED温度升高。

　　非辐射复合与外延层中的缺陷有关。当外延层中存在缺陷时，在缺陷处会形成复合中心，在该复合中心处更容易发生非辐射复合。缺陷密度越高，此种复合中心也越多，则会有更多的复合载流子发生非辐射复合。因此，在缺陷集中地区域，发光强度较弱。而对LED的LEE限制因素是材料的折射率

图1　　当光线从高折射率的物质向低折射率的物质入射时，由Snell定律可知，若入射角过大，会发生全反射。发生全反射时，光线无法进入低折射率的物质，只有入射角度小于全反射临界角的光线才能低折射率的物质而发射出去时。因此，全反射降低了光提取效率，LED芯片内部的光线只有一部分能发射出去。(注：上述引自我一哥们的论文，他引自重呵呵)。

　　对于蓝宝石基GaN多量子阱结构LED，蓝宝石、GaN与空气的折射率分别为1.7、2.5与1，从而导致光子从GaN材料到空气的逃逸角(未封装的情况下)仅有23°，LEE仅有5%。

　　考虑电极以及封装等引起的损耗，EQE还需要在式1.3乘以一个小于1的系数。

　　三. 对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外延层质量上了。

　　而对LEE提高主要集中在了封装结构设计上了。

　　虽然根据Snell简单计算可以发现，即使在空气与GaN之间插入一层折射率介于GaN与空气之间的材料，亦不会提高LEE，但这层材料的形状可以改变LEE。

　　对IQE与LEE的提高自然可以提高EQE。

　　这里最想是说一下关于这三个参数提高率之间的关系。

　　对于一个量a而言，如果其值变化到了b，则其变化率

　　n(%)=(b-a)/a*100

　　或

　　b=a(1+n%)

　　我们不妨将上式用到式1.3上，来计算EQE的提高率与IQE与LEE提高率之间的关系。

　　假设IQE、LEE与EQE因某一措施分别提高了nIQE%，nLEE%，nEQE%

　　(1+nEQE%)EQE=(1+nIQE%)*IQE*(1+nIEE%)*LEE (3.1)

　　上式中IQE、LEE与EQE分别是采取措施前的LED指标值

　　将EQE=IQE*LEE引入有

　　nEQE%=nIQE%+nIEE%+nIQE%*nIEE% (3.2)

　　请记住这个式子，他说明只要某一个措施对IQE、LEE任何一个指标有提高都必会反应到EQE的提高上，且EQE提高率要比IQE与LEE二者提高率之和要大。