紫外LED的光色電特性研究

吳榮琴，林介本,2，郭震寧,2

(1.閩南科技學院，福建 泉州 362332；2.泉州市照明工程技術研究院，福建 泉州 362302)

0 引言

發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)，在近二十幾年來，憑著其體積小、功耗低、壽命長等諸多優(yōu)點，在各領域的應用越來越廣泛，其產(chǎn)量和產(chǎn)值長期位居半導體光電器件前列。近幾年，隨著半導體外延和芯片技術的快速發(fā)展，使得紫外LED成為了研究熱點。紫外LED以其波長短和光子能量較高等特點，在高密度光學數(shù)據(jù)存貯、光學治療、無損檢測、光固化、通信領域以及殺菌、空氣凈化等領域具有十分廣泛的應用[1]。

目前，利用AlGaN材料，已經(jīng)成功實現(xiàn)并生產(chǎn)發(fā)光波長范圍從265 nm到395 nm的紫外LED。經(jīng)過國內外研究人員多年的研究，發(fā)光波長在280 nm以下的深紫外LED的外量子效率已突破5%，發(fā)光功率大于5 mW[2]。但對于紫外LED的研究目前還存在著功率低、壽命短、散熱性較差等問題。光色電特性測試是評價LED性能的重要手段[3]，深入系統(tǒng)地研究紫外LED 的光色電性能，對提高紫外LED 品質有非常重要的參考價值[4]。

本研究通過實驗測量在不同正向電流IF驅動下，近紫外LED的光通量、發(fā)光效率、電功率以及發(fā)射光譜等參數(shù)，分析紫外LED的光色電參數(shù)的變化規(guī)律及其光譜特性，并對其變化的具體原因進行了探討。

1 實驗原理

LED是由Ⅲ～Ⅳ族化合物，如GaP、GaAsP、GaAs等半導體材料制成的。其核心部分是在P型半導體和N型半導體之間的一個過渡層，稱為PN結。在LED的PN結附近，由于P型和N型材料中多子的擴散運動和少子的漂移運動的作用，在PN結上會形成動態(tài)平衡并產(chǎn)生一定的勢壘。當給PN結加上正向偏壓時，在外電場作用下，P區(qū)的多子空穴和N區(qū)的多子電子就會向對方作擴散運動，構成少數(shù)載流子的注入，在PN結附近就會產(chǎn)生導帶電子和價帶空穴的復合，進而釋放出相對應的能量E=hv(h為普朗克常數(shù)，v為光子頻率)而發(fā)光，將電能轉換為光能。

若給PN結加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，無法發(fā)光。因此，LED是利用注入式電致發(fā)光原理制作的發(fā)光二極管。本研究正是基于正向電流對紫外LED的光色電參數(shù)進行測量和分析。

2 紫外LED光色電特性分析

2.1 儀器與樣品的選擇

一般地，將發(fā)光波長在380～400 nm的LED稱為近紫外LED，發(fā)光波長小于300 nm的LED稱為深紫外LED。本實驗采用深圳市春達鑫光電公司的波長分別為365 nm、380 nm、385 nm、395 nm、400 nm的45mil光宏芯片近紫外LED作為測試樣品，標稱功率均為1 W。采用Integrating sphere 積分球、Spectro 320 Optical Scanning Spectrometer 光學掃描光譜儀等對紫外LED燈珠的光色電參數(shù)進行測試。實驗測試過程中，為了方便連接以達到更好的散熱效果，實驗中將紫外LED燈珠固定在鋁基板上，接觸面涂導熱硅脂。紫外LED燈珠測試全程控制溫度在25℃。實驗測試環(huán)境如圖1所示。

圖1 測試儀器及環(huán)境

2.2 紫外LED光色電參數(shù)分析

實驗調節(jié)正向電流IF從20 mA開始，每次增加10 mA，增大到350 mA，分別測試并記錄波長為380 nm、385 nm、395 nm、400 nm的近紫外LED樣品的光通量、電功率以及發(fā)光效率隨正向電流IF的變化情況，并繪制關系曲線，如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 光通量與IF的關系曲線

由圖2、圖3、圖4可以看出，近紫外LED的光通量、電功率均隨正向電流的增加呈亞線性增大，而發(fā)光效率卻逐步遞減。這是由于近紫外LED芯片的有源層是具有直接帶隙的AlGaN半導體材料，它依賴電子與空穴的輻射復合產(chǎn)生紫光[5]。當正向電流IF為小電流時，PN結中無輻射復合、材料缺陷以及結溫的影響較小。隨著正向電流IF的繼續(xù)增大，PN結電流密度提高，注入的電子-空穴對復合增強，使得光通量隨正向電流IF的增加呈亞線性增大。當IF繼續(xù)增大，光通量趨于飽和，增強變緩，其原因可能是由于PN結：(1)電子在大電流時擴散出勢阱，使得無輻射復合的成分上升[6]；(2)功耗增大，導致結溫上升；(3)材料缺陷的影響逐漸增強。

圖3 電功率與IF的關系曲線

圖4 發(fā)光效率與IF的關系曲線

2.3 紫外LED光譜分析

通過實驗測試近紫外LED在不同電流下的光譜數(shù)據(jù)，取波長為365 nm的紫外LED，記為樣品LED01，測試其在不同電流下的光譜。正向電流取150 mA至650 mA，步長為100 mA。LED01的電壓及峰值波長隨電流變化如圖5、圖6所示。

圖5 LED01在不同電流下的光譜

圖6 LED01峰值波長隨電流變化關系

由圖6可以看出，本研究測試的LED01紫外光源的峰值波長隨正向電流增大而出現(xiàn)紅移，但偏移幅度較小，正向電流從150 mA增大到650 mA時，其波長只增加了0.5 nm。紫外LED光譜產(chǎn)生紅移現(xiàn)象的主要原因可能是由于AlGaN的極化效應，導致PN結中產(chǎn)生極化電場，使得導帶和價帶的間隙變大，從而導致峰值波長發(fā)生了紅移。

3 結語

本文介紹了紫外LED的發(fā)展現(xiàn)狀，測量并分析了幾種波長的近紫外LED在不同正向電流IF驅動下的光通量、發(fā)光效率、電功率和發(fā)射光譜等參數(shù)的變化。研究表明，紫外LED的光通量與電功率隨著電流IF的增大而呈亞線性增長的趨勢，其發(fā)光效率則相反，呈現(xiàn)下降趨勢；峰值波長隨正向電流的增大出現(xiàn)紅移。主要原因可能是受PN結的缺陷、結溫、無輻射復合以及半導體材料AlGaN極化效應的影響。紫外LED的上述光色電特性，對制造高品質的紫外LED具有一定的參考價值。