CN102252829B - 一种测量led的内量子效率和出光效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种测量LED的内量子效率和出光效率的方法，属于光电测试技术领域。本发明提供的方案为：测量LED光功率和光谱随电流变化关系，在外量子效率极值附近通过非线性拟和得到内量子效率数值，并根据公式计算出对应的出光效率，由于出光效率不随注入电流变化，这样就得到了不同注入电流下的出光效率，进一步，利用该出光效率，计算得到不同注入电流下相应的LED的内量子效率。本发明有以下优点：运用常规的测量数据进行分析，方法简单且可操作性强，数据结果可信度高；能够比较方便测量封装或未封装的LED管芯的内量子效率和出光效率，可用于分析芯片结构和封装结构对LED效率的影响；能够测量不同电流下的LED的内量子效率和出光效率。

Description

一种测量LED的内量子效率和出光效率的方法

技术领域

本发明属于光电测试技术领域，具体涉及一种测量LED的内量子效率和出光效率的方法。

背景技术

LED是一种高效率的发光器件，能够将电能高效率地转化为光能。LED发光效率可以用LED的外量子效率(EQE,external quantum efficiency)来表征，即单位时间从LED发射到自由空间中的光子数与单位时间注入到LED的电子数的比值，而LED的外量子效率由两部分决定：（1）LED的内量子效率(IQE,internal quantum efficiency)，即单位时间从LED有源层发出的光子数与单位时间注入到LED的电子数比值。LED的内量子效率主要受LED外延片的生长质量和外延片结构设计影响，是评价LED芯片性能重要指标；（2）LED的出光效率又称作LED的光萃取效率或光提取效率(LEE,light extraction efficiency)，即单位时间从LED发射到自由空间中的光子数与从LED有源层发出的光子数比值。LED的出光效率是评价器件将有源层产生的光，提取到自由空间中的能力的重要指标。用公式表示外量子效率与内量子效率和出光效率的关系为

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}=\frac{P/\mathrm{h\ν}}{I/e}=\frac{P_{\mathrm{int}}/\left(\mathrm{h\ν}\right)}{I/e}\×\frac{P/\left(\mathrm{h\ν}\right)}{P_{\mathrm{int}}/\left(\mathrm{h\ν}\right)}={\mathrm{\η}}_{\mathrm{IQE}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{LEE}}---\left(1\right)$

其中P是LED的光功率，P_int是LED有源区发光的光功率，I是注入到LED的电流，hν是光子能量，e是单位电荷电量。

现在能够有效确定LED的内量子效率和出光效率的方法还很少。LED的内量子效率一般是通过变温PL方法测量外延片来估计，而出光效率则利用光学追迹的方法计算来评估。但是，变温PL方法不但很麻烦，而且只能测量LED的外延片，不能测量LED芯片的内量子效率；而光学追迹的方法需要设定很多参数且很难与实验数据校准。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量方法，可有效方便地测量LED器件的内量子效率和出光效率。

本发明提供的技术方案如下：

方案1：一种测量LED的内量子效率和出光效率的方法，其特征在于，测量LED光功率P和光谱随电流变化关系，在外量子效率最大值附近通过非线性拟合得到内量子效率数值，并根据公式（1）计算出对应的出光效率，由于出光效率不随注入电流变化，为常量，这样就得到了不同注入电流下的出光效率，进一步，利用该出光效率，计算得到不同注入电流下相应的LED的内量子效率，公式1如下：

η_EQE=η_IQEη_LEE  （1）。

方案2：作为方案1的一种优选方案，其特征在于，包括如下步骤：

1)测量LED在不同注入电流I下的光功率P和峰值波长λ，电流I的范围为从0mA到LED的额定电流；

2)由 ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}=\frac{P/\mathrm{h\ν}}{I/e}=\frac{P\×\mathrm{\λ}}{1239.8\×I}---\left(2\right)$

计算出LED的外量子效率EQE，得到外量子效率EQE与光功率的平方根

的关系曲线

3)确定不同注入电流下LED外量子效率的最大值

和与该量子效率对应的光功率值P⁰，若测量范围内未能找到外量子效率最大值，则返回步骤1），扩大测量范围；

4)利用函数 ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}^0\×(\mathrm{\α}+2)}{\mathrm{\α}+(x_0/x+x/x_0)}---\left(3\right)$

对曲线

在EQE极值附近进行非线性拟合，通过多次迭代得到稳定的无量纲参数α；其中，

（A表示SRH非辐射复合系数，B表示辐射复合系数，C表示俄歇复合系数），

5)内量子效率IQE在外量子效率曲线极值处的值为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{IQE}}^0=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{inj}}{{\mathrm{Bn}}_0}^2}{{\mathrm{An}}_0+{{\mathrm{Bn}}_0}^2+{{\mathrm{Cn}}_0}^3}=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{inj}}\mathrm{\α}}{\mathrm{\α}+2}---\left(4\right)$

其中n₀是外量子效率最大值对应的载流子密度，η_inj是注入效率。

6)对应于EQE随注入电流变化的极值点，出光效率为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{LEE}}^0=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}^0}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{IQE}}^0}---\left(5\right)$

其中，在步骤3）已获得，而

也通过拟合参数α得到，在外量子效率最大值附近通常认为η_inj＝1（从参考文献1中可以看出，注入效率可以认为等于1）。因此，外量子效率EQE-随电流变化曲线的极值点对应的出光效率为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{LEE}}^0=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}^0}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{IQE}}^0}={\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}^0\×\frac{\mathrm{\α}+2}{\mathrm{\α}}---\left(6\right)$

同时，它也是任意注入电流下的出光效率：

7)任意注入电流下的内量子效率为：

η_IQE=η_EQE/η_LEE（7）

据此可得出内量子效率η_IQE随注入电流I的变化曲线。

方案3：作为方案2的一种优选方案，其特征在于，在步骤4）中，其无量纲参数α通过拟合函数

得到，其中P⁰，I⁰分别是外量子效率最大值对应的光功率和电流值，

这样，拟合函数中的变量都是实验测量的量，P是

光功率，I是电流。

方案4：作为方案2的一种优选方案，其特征在于，所述步骤4）中利用最小二乘法进行非线性拟合。

本发明有以下几个方面的优点：

（1）运用常规的测量数据进行分析，方法简单且可操作性强，评价方法具有充分的LED器件物理基础，数据结果可信度高。

（2）能够比较方便测量封装或未封装的LED管芯的内量子效率和出光效率，可用于分析芯片结构和封装结构对LED效率的影响。

（3）能够测量不同电流下的LED的内量子效率和出光效率。

附图说明

图1是LED外量子效率随光功率平方根曲线

和拟合曲线图

图2是拟合曲线残差分布图

图3是LED出光效率随电流变化图

图4是LED内量子效率随电流变化图

具体实施方式

以下结合附图，通过具体的实施例对本发明所述的LED的内量子效率和出光效率测试方法做进一步描述。

实施例一：普通蓝宝石衬底上的大功率蓝光LED芯片内量子效率和出光效率测量

1.利用光谱辐射计测得LED的光功率P和峰值波长λ随电流I变化的数据，通过计算可得外量子效率随出光效率平方根变化曲线图

如图1中点线所示，测量范围为电流从0到400mA。

2.通过

曲线图，找到外量子效率的最大值点和对应的光功率值（P⁰=4.11×4.11（mW））。

3.用

公式（3）对

曲线进行拟合，得到无量纲参数α=7.546（如图1），拟合结果残差分布图（如图2）。

4.根据拟合结果可得极值点的内量子效率为

则极值点的出光效率为 ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{LEE}}^0=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}^0}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{IQE}}^0}=22.48\%$

5.大功率LED管芯出光效率（如图3）（此结果与参考文献2，用monte-carlo光线追迹方法计算出的普通LED出光效率一致）；内量子效率由公式（7）可计算，获得随注入电流变化的LED内量子效率变化曲线（如图4），在工作电流350mA下的内量子效率为66.60%。

实施例二：生长在图形化蓝宝石衬底上的大功率蓝光LED（已封装）内量子效率和出光效率测量

1.利用光谱辐射计测得LED的光功率P和峰值波长λ随电流I变化的数据，通过计算可得外量子效率随出光效率平方根变化曲线图测量范围为电流0到400mA。

2.通过

曲线图，找到外量子效率的最大值点

和对应的光功率值（P⁰=6.82×6.82（mW））。

3.用

公式（3）对曲线进行拟合，得到无量纲参数α=8.563。

4.根据拟合结果可得极值点的内量子效率为

极值点的出光效率为 ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{LEE}}^0=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}^0}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{IQE}}^0}=72.21\%$

5.大功率图形化衬底LED出光效率

（此结果与参考文献2，用monte-carlo光线追迹方法计算出的生长在PSS上的LED出光效率一致）；内量子效率由公式（7）可计算，获得随注入电流变化的LED内量子效率变化曲线，在工作电流350mA下的内量子效率为69.79%。

参考文献1：

A Laubsch,M.Sabathil,J.Baur,M.Peter,and B.Hahn,”High-Power and High-efficiency InGaN-Based LightEmitters,”IEEE Trans Electron Devices 57,79(2010).

参考文献2：

T.-X.Lee,K.-F.Gao,W.-T.Chien,and C.-C.Sun,“Light extractionanalysis of GaN-basedlight-emitting diodes with surface texture and/or patterned substrate,”Opt.Express,vol.15,no.11,pp.6670–6676,May 2007.

Claims (4)

1.一种测量LED的内量子效率和出光效率的方法，其特征在于，测量LED光功率P和光谱随电流变化关系，在外量子效率最大值附近通过非线性拟合得到内量子效率数值，并根据公式（1）计算出对应的出光效率，由于出光效率不随注入电流变化，为常量，这样就得到了不同注入电流下的出光效率，进一步，利用该出光效率，计算得到不同注入电流下相应的LED的内量子效率，公式1如下：

η_EQE=η_IQEη_LEE（1）。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)测量LED在不同注入电流I下的光功率P和峰值波长λ，电流I的范围为从0mA到LED的额定电流；

2)由

计算出LED的外量子效率EQE，得到外量子效率EQE与光功率的平方根 的关系曲线 

3)确定不同注入电流下LED外量子效率的最大值 

和与该量子效率对应的光功率值P⁰，若测量范围内未能找到外量子效率的最大值，则返回步骤1），扩大测量范围；

4)利用函数

对曲线 

在EQE极值附近进行非线性拟合，通过多次迭代得到稳定的无量纲参数α；其中， 

A表示SRH非辐射复合系数，B表示辐射复合系数，C表示俄歇复合系数，

5)内量子效率IQE在外量子效率 

曲线极值处的值为：

其中n₀是外量子效率最大值对应的载流子密度，η_inj是注入效率；

6)对应于EQE随注入电流变化的极值点，出光效率为：

其中， 

在步骤3）已获得， 

通过拟合参数α得到，因此，外量子效率EQE-随电流变化曲线的极值点对应的出光效率为：

同时，它也是任意注入电流下的出光效率： 

7)任意注入电流下的内量子效率为：

η_IQE=η_EQE/η_LEE，

据此可得出内量子效率η_IQE随注入电流I的变化曲线。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤4）中，其无量纲参数α通过拟合函数 

得到，其中P⁰，I⁰分别是外量子效率最大值对应的光功率和电流值， 

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤4）中利用最小二乘法进行非线性拟合。 

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