Micro-LED器件，电光效率，内外量子效率，提取效率

Micro-LED器件，电光效率，内外量子效率，提取效率

1 Micro-LED 器件

Micro LED的英文全名是Micro Light Emitting Diode，中文称作微发光二极管，也可以写作μLED，一般指使用尺寸为1~60μm的LED发光单元组成显示阵列的技术，其大小相当于人头发丝的1/10，具有无需背光，光电转换效率高、亮度大于105 cd/m2，对比度大于104：1，响应时间在ns级等特点，是将LED进行薄膜化、微小化和阵列化，使其体积达到大小只有主流LED的1%，像素点距离达到由毫米达到微米的一项技术，如图1所示。

图1 Micro LED

传统的 LED在芯片切割完毕后, 直接对整颗 LED 灯珠进行封装, 驱动电路与芯片正负极连接, 驱动封装好的灯珠; 而 Micro LED 在光刻步骤后, 并不会直接封装, 这是由于封装材料会增大灯珠体积, 无法实现灯珠间的微距。需要将 LED 裸芯片颗粒直接从蓝宝石基板转移到硅基板上, 将灯珠电极直接与基板相连。

2.1 电光转换效率

在 LED 的效率参数中，最关键的是电光转换效率，其定义是输出光功率与注入电功率的比值

式中 P ₀ 表示的是从 LED 中出射光的功率， I 和 V 分别表示注入电流和激励电压，输出光功率本身也是光通量和光子能的乘积，光子是通过注入的电子和空穴的复合产生。

内量子效率（IQE）可以通过以下公式计算：

这里，“产生的光子数”是指LED内部由于电子-空穴复合而产生的光子数；“注入的载流子数”则是指注入到LED内部的电子或空穴的总数。

假设有一个LED，在某驱动电流下产生的光功率为𝑃out ，并且已知该LED的发光波长为𝜆，则可以根据以下步骤计算内量子效率：

1）计算产生的光子数：首先需要计算LED产生的光子数。由于光功率（单位瓦特，W）可以表示为光子数与每个光子的能量的乘积，可以使用普朗克常数ℎ、光速𝑐和波长𝜆来计算每个光子的能量，并由此计算光子数。

其中ℎ是普朗克常数（约6.626×10−34 Js），c是光速（约3×108m/s），𝜆是以米为单位的发光波长。

2）计算注入的载流子数：注入的载流子数通常是通过测量LED的工作电流𝐼I来确定的，假设所有注入的载流子都参与了复合过程，则注入的载流子数𝑁_carriers 为：

这里的𝑡 是时间，单位为秒（s）。在稳态工作条件下，通常使用电流的瞬时值来代替。

3) 计算内量子效率：最后，将产生的光子数除以注入的载流子数即可得到内量子效率：

影响因素：内量子效率受到多种因素的影响，包括：

材料质量：材料中的缺陷、杂质等都会影响内量子效率。外延生长工艺：高质量的外延层对于提高内量子效率至关重要。PN结的设计：包括能带结构、量子阱的厚度和数量等。温度：温度的变化会影响载流子的复合效率，从而影响内量子效率。注入电流密度：随着注入电流密度的增加，内量子效率可能会发生变化。    

外量子效率的计算

外量子效率可以通过以下公式计算：

外量子效率的计算通常基于以下步骤：

1）测量输出光功率：首先需要测量LED产生的光功率（𝑃_out），这通常是通过光功率计进行的。

2）计算产生的光子数：根据光功率和发光波长计算产生的光子数。每个光子的能量可以通过普朗克常数ℎh、光速𝑐c和波长𝜆λ来计算。

3）计算注入的载流子数：注入的载流子数通常是通过测量LED的工作电流𝐼I来确定的，假设所有注入的载流子都参与了复合过程，则注入的载流子数𝑁_carriers为：

这里的𝑡t是时间，单位为秒（s）。在稳态工作条件下，通常使用电流的瞬时值来代替。

4）计算外量子效率：最后，将逃逸到外部的光子数除以注入的载流子数即可得到外量子效率：

以一个具体的例子来说明计算过程：

假设一个LED在驱动电流为50 mA时，产生2 mW的输出光功率，发光波长为1.31 μm（1.31×10⁻⁶  m）。

计算产生的光子数：

计算注入的载流子数：

计算外量子效率：

因此，该LED在50 mA驱动电流下的外量子效率大约为0.413%。

光提取效率的计算通常基于以下假设和公式：

其中：

·逃逸到外部的光子数可以通过测量LED的输出光功率来计算。

·产生的光子数（内部）可以通过测量内部光功率或通过内量子效率（IQE）和注入的载流子数来计算。

要计算光提取效率，我们需要知道以下几个关键参数：

1）内部产生的光功率 (𝑃_int)：这是LED内部产生的总光功率。

2）输出光功率 (𝑃_out)：这是逃逸到外部环境中的光功率。

3）内量子效率 (IQE)：这是内部产生的光子数与注入的载流子数之比。    

4）注入的载流子数 (𝑁_carriers)：这是通过测量LED的工作电流来确定的。

计算步骤

1）计算内部产生的光子数

假设我们知道内部产生的光功率（𝑃_int ）和光子的能量（𝐸_photon ），则内部产生的光子数（𝑁_{photons,internal} ）可以按照以下公式计算：

其中，ℎ是普朗克常数（6.626×10⁻³⁴ Js ），𝑐c 是光速（3×10⁸ m/s ），𝜆 是发光波长。

2）计算逃逸到外部的光子数

如果知道输出光功率（𝑃_out ）和光子的能量（𝐸_photon），则逃逸到外部的光子数（𝑁_{photons,external}）可以按照以下公式计算：

3）计算光提取效率

有了上述信息，光提取效率（LEE）就可以通过以下公式计算：

假设我们有一个LED，其工作条件如下：

发光波长 𝜆= 1.31×10−6m，内部产生的光功率 𝑃int =3mW，输出光功率 𝑃out =2mW。

计算光子能量：

计算内部产生的光子数：

计算逃逸到外部的光子数：

计算光提取效率：    

在这种情况下，LED的光提取效率约为66.8%。

内量子效率、光提取效率和外量子效率之间的关系可以表示为：

EQE=IQE×LEE

这意味着外量子效率等于内量子效率乘以光提取效率。换句话说，即使内量子效率很高，如果光提取效率不高，那么外量子效率也会受到显著的影响。

假设一个LED在驱动电流为50 mA时，内部产生的光子数为𝑁_{photons,internal}=1.5×10¹⁶photons/s ，逃逸到外部的光子数为𝑁_{photons,external}=1.2×10¹⁶ photons/s，注入的载流子数为𝑁_carriers=3.12×10¹⁸ electrons/s。

计算内量子效率：

计算光提取效率：

计算外量子效率：

验证关系：

内量子效率、光提取效率和外量子效率之间的关系表明，提高LED的整体性能不仅需要提高内量子效率，还需要通过改进LED的结构和封装技术来提高光提取效率。即使内量子效率很高，如果光提取效率不高，那么外量子效率也会受到影响，从而限制了LED的整体性能。