將LED光譜測量引入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)

張師平 吳平 閆 丹 裴藝麗 李 莉

(北京科技大學(xué)1數(shù)理學(xué)院,2自然科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心,北京 100083)

發(fā)光二極管的英文寫為Light-emitting diode,簡稱LED,1993年在日本日亞化學(xué)工業(yè)工作的中村修二首次成功地將鎂元素?fù)饺氲壷?制造出了寬帶隙P 型半導(dǎo)體材料,并成功應(yīng)用于具有廣泛應(yīng)用價(jià)值的藍(lán)光LED 中[1]。2014年,中村修二與天野浩及赤崎勇一起因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?？砂l(fā)射藍(lán)光的LED 的發(fā)明可以說是里程碑式的成績,因?yàn)樗陌l(fā)明是后來白光LED的基礎(chǔ),也是現(xiàn)代我們?nèi)粘Ｉ钪姓彰鞴庠纯焖俦籐ED 所替代的基礎(chǔ)。LED 光源具有諸多的優(yōu)點(diǎn):(1)能量轉(zhuǎn)換效率高,目前市面上所售賣的LED 光源的能量轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到160lm/W 以上,約是白熾燈的10倍,是日光燈管的2倍以上;(2)使用壽命長,在有著良好散熱的情況下,LED的使用壽命可以達(dá)到10萬小時(shí),是白熾燈的100倍,是日光燈管的10倍以上;(3)體積小,LED 一般可以制造得很小,長度小于2mm,這樣不僅易于安裝而且更易于與透鏡配合使光束匯聚或發(fā)散,目前很多汽車都開始采用LED 作為其前照燈。除此以外LED 還有反應(yīng)時(shí)間短、抗頻閃能力強(qiáng)、抗機(jī)械沖擊能力強(qiáng)、單色性好等特點(diǎn)。

目前,LED 已經(jīng)廣泛得應(yīng)用在我們的日常生活中。將其引入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中[2],使學(xué)生掌握LED的基本伏安特性以及其光譜特性,有助于加強(qiáng)學(xué)生對這一諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)級(jí)的半導(dǎo)體器件的理解。其中,LED 的伏安特性實(shí)驗(yàn)我們已經(jīng)在2015年引入到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中[3],并取得了良好的教學(xué)反饋。

1 LED的工作原理

LED 實(shí)際上是一個(gè)P-N 結(jié)注入器件,藍(lán)光LED基本結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,當(dāng)未施加電壓時(shí),N型區(qū)的電子和P 型區(qū)的空穴相互擴(kuò)散,并在建立了自建電壓V0后平衡并形成空間電荷區(qū)。當(dāng)對LED 施加一個(gè)正向偏壓時(shí),隨著電壓V的增大,自建電壓由原來的V0降低為V0-V,隨著平衡的打破,來自N 型區(qū)的電子開始向P 型區(qū)擴(kuò)散,即為電子注入,如圖1(b)所示。注入的電子主要在P型區(qū)發(fā)生復(fù)合,復(fù)合后形成光子,因此這種復(fù)合發(fā)光主要也發(fā)生在空間電荷區(qū)的P型一側(cè)。這種由于多數(shù)載流子注入而引起電子和空穴對發(fā)生復(fù)合發(fā)光被稱為注入式電致發(fā)光。同時(shí),電子和空穴對復(fù)合所發(fā)出的光子的方向是隨機(jī)的。

對于如圖1所示的LED 結(jié)構(gòu)中,為了可以讓更多的光子從P 型區(qū)(常被稱為窗口層)輻射出來,在制備LED 的過程中就應(yīng)當(dāng)盡量減少P型區(qū)的厚度。但是減少了P 型區(qū)的厚度后,會(huì)造成部分注入的電子直接隧穿到達(dá)P 型區(qū)的表面,由于表面缺陷的存在,達(dá)到表面的電子被缺陷俘獲產(chǎn)生無輻射復(fù)合(以熱的形式釋放能量),降低了LED 的發(fā)光效率。相對于同質(zhì)結(jié),異質(zhì)結(jié)兩側(cè)的材料具有不同的禁帶寬度,接觸以后由于費(fèi)米能級(jí)不同而產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移,直到將費(fèi)米能級(jí)拉平。這就導(dǎo)致能帶出現(xiàn)不連續(xù),界面處出現(xiàn)能帶的凸起和拗口(勢壘上將出現(xiàn)一個(gè)尖峰),從而對注入的電子起到了具有更好地限制作用,同時(shí)避免了漏電流的產(chǎn)生。為了提高LED 的發(fā)光效率,采用不同禁帶寬度的材料制備的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)成P-N結(jié)是一種常用的LED 設(shè)計(jì),圖2展示了雙異質(zhì)結(jié)LED 的結(jié)構(gòu)[4]示意圖。

圖2 雙異質(zhì)結(jié)LED 結(jié)構(gòu)示意圖[4]

在二極管中電子空穴對相互復(fù)合而形成的光子能量取決于材料的禁帶寬度可以近似表示為其中,h為普朗克常數(shù),ν為光子頻率,E g為半導(dǎo)體禁帶寬度。對于異質(zhì)結(jié)藍(lán)光LED,其光子主要產(chǎn)生于靠近pGa N 的量子阱中,所以光子能量取決于量子阱材料InxGa1-xN 合金的禁帶寬度通過調(diào)節(jié)In 組分,其禁帶寬度可在0.7e V(In N)與3.4e V(GaN)連續(xù)可調(diào)。紅光LED 為了得到更長的發(fā)光波長,采用了LaGa As/Ga As的材料體系,以調(diào)整禁帶寬度。也正是因?yàn)楣庾幽芰咳Q于禁帶寬度的能量的原因LED 常具有較好的單色性。

目前,常見的白光LED 主要有兩種方式實(shí)現(xiàn)。其一,采用紅、綠、藍(lán)(三基色)三種不同顏色的LED 集成在一起,經(jīng)過適當(dāng)?shù)谋壤ヅ浜蠡旌铣砂坠?。由于這種方法制造的白光LED 所發(fā)出的光都來自各自顏色的LED,因此具有發(fā)光效率高的優(yōu)點(diǎn)。但也正是這個(gè)原因,這種白光LED 也有成本高的劣勢,同時(shí),由于三基色的LED 在使用過程中衰減速度不同,長時(shí)間使用后會(huì)有變色的問題。其二,采用藍(lán)光LED 激發(fā)熒光粉的方式,用LED 本身的藍(lán)光和其激發(fā)熒光粉發(fā)出的黃綠色光混合形成白光。這種白光LED 雖然發(fā)光效率有所降低,但是其具有顯色性好、成本低、長時(shí)間使用不變色的特點(diǎn),是市場上常用的白光LED 的制造方案。

2 LED發(fā)光光譜實(shí)驗(yàn)裝置

LED 的發(fā)光光譜實(shí)驗(yàn)的設(shè)備由不同顏色的LED 燈珠、驅(qū)動(dòng)電源和光柵光譜儀組成,如圖3所示。為了保證LED 工作時(shí)有穩(wěn)定的結(jié)溫,需要良好的散熱作為保證。實(shí)驗(yàn)中所用的藍(lán)光LED 和白光LED 分別如圖4(a)(b)所示,我們將LED 燈珠焊接在鋁基板上,并將鋁基板(如圖4(c)所示)固定在一整塊鱗狀散熱器上。驅(qū)動(dòng)電路可以作為恒流源為LED 提供不同大小的驅(qū)動(dòng)電流。光柵光譜儀用于測量LED 光譜,是天津港東科技股份有限公司生產(chǎn)的WGD-8A 型組合式多功能光柵光譜儀,其光譜分辨率≤0.06nm,波長準(zhǔn)確性為±0.2nm,波長重復(fù)性為0.1nm。

3 LED的發(fā)光光譜特性

圖3 LED 光譜測量圖

圖4 藍(lán)光LED 和白光LED 燈珠

將LED 的發(fā)光光譜實(shí)驗(yàn)引入到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的考量是關(guān)鍵,我們將分別從單色LED 的發(fā)光光譜特性、白光LED 的發(fā)光光譜特性、驅(qū)動(dòng)電流大小對LED 光譜特性的影響三方面入手。我們分別用圖3中所示的實(shí)驗(yàn)裝置分別對藍(lán)光、綠光、紅光和兩種不同色溫的白光LED 進(jìn)行了光譜測量。

3.1 藍(lán)光、綠光和紅光LED的發(fā)光光譜特性

圖5展示了歸一化后的藍(lán)光、綠光和紅光LED 的發(fā)光光譜。從圖中可以看到這三種LED的發(fā)光光譜的中心波長分別為458nm、530nm 和636nm,而光譜半寬度分別為17nm、32nm 和16nm。顯然藍(lán)光和紅光LED 相比于綠光LED來說具有更好的單色性,這是由于隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,紅光和藍(lán)光LED 的技術(shù)和工藝已經(jīng)非常成熟,市面上可以買到的紅光和藍(lán)光LED 燈珠均具有非常好的工藝質(zhì)量;而綠光LED 相對于藍(lán)光LED 來說是在量子阱中摻雜更多的In組分使其禁帶寬度變窄,容易引入更多的生長缺陷以及組分非均勻性,技術(shù)難度有所增加,目前市面上可以買到的綠光LED的性能都不能和藍(lán)光LED相比。

圖5 藍(lán)光、綠光和紅光LED 的發(fā)光譜線

3.2 白光LED的發(fā)光光譜特性

圖6展示了歸一化后的兩種不同色溫的白光LED 發(fā)光光譜。我們假設(shè)一種光源的發(fā)光主要是熱釋光,如白熾燈的發(fā)光就可以認(rèn)為是一個(gè)很好的熱釋光。這種光源的發(fā)光特性符合黑體輻射,其光譜可以用普朗克公式確定,即

式中,?為普朗克常數(shù);k為玻耳茲曼常數(shù);c為光速;T為發(fā)光體的溫度(絕對溫度);ω為發(fā)光體的輻射頻率,可以表示為,而λ為發(fā)光體的輻射波長。如果求出式(2)中輻射強(qiáng)度最大時(shí)所對應(yīng)的波長,即

圖6 兩種不同色溫的白光LED 的發(fā)光光譜

式(3)中的單位為nm,可以用該式計(jì)算發(fā)光體的色溫。如果一個(gè)符合黑體輻射的發(fā)光體所發(fā)出的光譜的峰值對應(yīng)的波長為500nm,所對應(yīng)的發(fā)光體的溫度為5800K,我們就說這個(gè)發(fā)光體的色溫為5800K。我們一般把符合黑體輻射的光源定義為理想光源,例如陽光、白熾燈、鹵素?zé)舻榷伎梢哉J(rèn)為是理想光源。LED 并不是一個(gè)可以看做黑體輻射的發(fā)光體,圖6展示了兩種不同色溫的白光LED 的發(fā)光光譜,可以看出實(shí)驗(yàn)中測量的白光LED 是用藍(lán)光LED 激發(fā)熒光粉混合發(fā)光而形成的。之所以我們常用色溫來標(biāo)稱不同的白光LED的照明特性,是因?yàn)樯a(chǎn)過程中使用了不同配比的熒光粉,調(diào)節(jié)熒光粉的發(fā)光光譜可以得到看上去對應(yīng)的理想光源(黑體)的色溫。

3.3 驅(qū)動(dòng)電流對LED的發(fā)光特性的影響

如果我們用不同的電流來驅(qū)動(dòng)LED(以藍(lán)光LED 為例),也會(huì)發(fā)現(xiàn)其光譜有所不同,如圖7所示。仔細(xì)觀察不難發(fā)現(xiàn),當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流增加時(shí),發(fā)光光譜的強(qiáng)度隨之增加,中心波長也略有變化,如表1所示。由此可見,在本實(shí)驗(yàn)電流范圍,隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加,藍(lán)光LED 的發(fā)光光譜發(fā)生了藍(lán)移。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流增大時(shí),LED 中的P-N 結(jié)的低能態(tài)首先被填滿,量子阱中的載流子將進(jìn)一步躍遷到更高的激發(fā)態(tài)上,因此,其所發(fā)射的光的波長也會(huì)相應(yīng)變短,這種效應(yīng)常被稱為能帶填充效應(yīng)。實(shí)際上,隨著驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)一步增大,由于散熱受限,LED的結(jié)溫會(huì)急劇升高,同時(shí)斯托克斯偏移[5],造成發(fā)光波長偏長。能帶填充效應(yīng)以及斯托克斯偏移是一對相互競爭的關(guān)系,是影響LED 發(fā)光峰位的主要因素。同時(shí),結(jié)溫升高導(dǎo)致非輻射復(fù)合增加,發(fā)光強(qiáng)度增速減緩。但是,過高的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)對LED 壽命造成影響,因此在本文的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上沒有采用過大的驅(qū)動(dòng)電流。

圖7 不同電流驅(qū)動(dòng)下,藍(lán)光LED 的發(fā)光譜線

表1 藍(lán)光LED在不同的驅(qū)動(dòng)電流下的中心波長的變化

4 結(jié)語

隨著時(shí)代的發(fā)展,LED 已經(jīng)成為了繼白熾燈、熒光燈之后的第三代照明光源,其光效高、壽命長的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)非常顯著,且已集成量產(chǎn)。隨著2014年諾貝爾獎(jiǎng)的頒獎(jiǎng),LED 的相關(guān)實(shí)驗(yàn)成為了諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的實(shí)驗(yàn)。將LED 光譜實(shí)驗(yàn)引入到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中與光柵光譜儀實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,既可以使學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)的過程中掌握新的半導(dǎo)體器件的發(fā)光原理和光譜特性,又可以讓學(xué)生從中體會(huì)到物理學(xué)科在高新技術(shù)中的重要作用。在我國近年來提出的“新工科”建設(shè)的背景下,這對培養(yǎng)出能夠面向未來發(fā)展的跨領(lǐng)域、跨學(xué)科的綜合創(chuàng)新型人才尤為重要。希望本文可以起到拋磚引玉的作用,讓更多的有物理內(nèi)涵的高新領(lǐng)域研究成果進(jìn)入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中。

審稿意見和作者修改說明摘錄

論文介紹了將LED 相關(guān)實(shí)驗(yàn)引入大學(xué)物理的經(jīng)驗(yàn)及其相關(guān)內(nèi)容,具有自己的經(jīng)驗(yàn),經(jīng)過更加細(xì)致的整理后,適合發(fā)表在本刊。但是論文還需要解釋以下的問題:

1.作者給出了為了避免單異質(zhì)結(jié)的問題而引入了雙異質(zhì)結(jié),但是沒有闡明相關(guān)的機(jī)制。這個(gè)可以作為思考題留給學(xué)生,但是在本文中最好作介紹,有利于讀者或者其他學(xué)校參考。

答:相對于同質(zhì)結(jié),異質(zhì)結(jié)兩側(cè)的材料具有不同的禁帶寬度。由于其介電常數(shù)不同,界面處會(huì)出現(xiàn)能帶的凸起或拗口,導(dǎo)致能帶出現(xiàn)不連續(xù),從而對注入的電子具有更好的限制作用,同時(shí)避免漏電流的產(chǎn)生。我們已經(jīng)在文中增加了相應(yīng)的內(nèi)容,并用紅色字體標(biāo)注。

2.在本實(shí)驗(yàn)中,測量數(shù)據(jù)的誤差分析內(nèi)容有嗎? 如果有的話,可以加到文章中。

答:測量光譜實(shí)驗(yàn)一般以儀器參數(shù)來探討測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。本文中用于測量LED光譜的儀器設(shè)備是天津港東科技股份有限公司生產(chǎn)的WGD-8A 型組合式多功能光柵光譜儀,其光譜分辨率≤0.06nm,波長準(zhǔn)確性為±0.2nm,波長重復(fù)性為0.1nm。另外,本文在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)上主要是希望學(xué)生通過不同類型的LED 發(fā)光光譜的測量掌握新的半導(dǎo)體器件的發(fā)光原理和光譜特性,數(shù)據(jù)處理的重點(diǎn)是光譜的繪制與曲線分析,數(shù)據(jù)的誤差分析確實(shí)沒有進(jìn)行考慮。但是可以引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)認(rèn)識(shí)光譜儀的一系列參數(shù)和具體含義,及其對測量結(jié)果的影響?；诖?我們在文章中增加了相應(yīng)的內(nèi)容,并用紅色字體標(biāo)注。

3.對于圖6的兩個(gè)發(fā)光峰,可以看到紅色曲線的藍(lán)光峰和黑色曲線的藍(lán)光峰有稍微的藍(lán)移,原因是什么?

答:不同色溫的LED芯片是從廠家購買的,藍(lán)光來源于InGaN量子阱的發(fā)光,In組分的微量波動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致藍(lán)光發(fā)光峰發(fā)生偏移。圖6中發(fā)光峰的偏移源自InGaN 工藝中In摻入的非均一性。而不同廠家甚至于不同批次的LED芯片很難保證In組分完全相同,因此本實(shí)驗(yàn)中看到了兩個(gè)不同色溫LED的藍(lán)光峰并不重合,因此,本文中測量到的這種藍(lán)光峰的不重合并不是由于某種物理機(jī)制造成的藍(lán)移現(xiàn)象。

4.在實(shí)驗(yàn)中是否可以討論發(fā)光效率的問題? 這個(gè)也是LED 測試一個(gè)重要的參數(shù)。

答:通過本實(shí)驗(yàn)可以定性分析單色LED 的發(fā)光效率高低。在同樣的測試條件(同樣的設(shè)備、同樣的驅(qū)動(dòng)電流)下,電致發(fā)光強(qiáng)度越高,該LED 的發(fā)光效率越高。而定量表征LED 的發(fā)光效率,則需要額外的設(shè)備。發(fā)光效率的單位為lm/W,可以通過IV測試得到順向電壓和驅(qū)動(dòng)電流,得到輸入功率(單位W);通過積分球配合定標(biāo)后的光譜儀測量LED 的光通量(單位lm);通過計(jì)算得到LED 的發(fā)光效率。但積分球和經(jīng)過定標(biāo)的光譜設(shè)備都是專業(yè)儀器設(shè)備,考慮到大多數(shù)工科物理實(shí)驗(yàn)室或普通物理實(shí)驗(yàn)室缺少這樣的專業(yè)儀器,因此本文所做的實(shí)驗(yàn)中并未測量LED 的發(fā)光效率,在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中也沒有設(shè)計(jì)定量測量發(fā)光效率的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。請審稿人理解。

5.有些小的細(xì)節(jié)錯(cuò)誤,比如在圖6上邊一段的介紹中,本來應(yīng)該是圖6,結(jié)果寫成了圖5.“圖5展示了兩種不同色溫的白光LED 的發(fā)光光譜,”

答:非常感謝審稿人指出的錯(cuò)誤,我們已經(jīng)在文中進(jìn)行了相應(yīng)的修改,并用紅色字體標(biāo)注。