紫外LED的光色电特性研究

吴荣琴，林介本,2，郭震宁,2

(1.闽南科技学院，福建 泉州 362332；2.泉州市照明工程技术研究院，福建 泉州 362302)

0 引言

发光二极管(light emitting diode，LED)，在近二十几年来，凭着其体积小、功耗低、寿命长等诸多优点，在各领域的应用越来越广泛，其产量和产值长期位居半导体光电器件前列。近几年，随着半导体外延和芯片技术的快速发展，使得紫外LED成为了研究热点。紫外LED以其波长短和光子能量较高等特点，在高密度光学数据存贮、光学治疗、无损检测、光固化、通信领域以及杀菌、空气净化等领域具有十分广泛的应用[1]。

目前，利用AlGaN材料，已经成功实现并生产发光波长范围从265 nm到395 nm的紫外LED。经过国内外研究人员多年的研究，发光波长在280 nm以下的深紫外LED的外量子效率已突破5%，发光功率大于5 mW[2]。但对于紫外LED的研究目前还存在着功率低、寿命短、散热性较差等问题。光色电特性测试是评价LED性能的重要手段[3]，深入系统地研究紫外LED 的光色电性能，对提高紫外LED 品质有非常重要的参考价值[4]。

本研究通过实验测量在不同正向电流IF驱动下，近紫外LED的光通量、发光效率、电功率以及发射光谱等参数，分析紫外LED的光色电参数的变化规律及其光谱特性，并对其变化的具体原因进行了探讨。

1 实验原理

LED是由Ⅲ～Ⅳ族化合物，如GaP、GaAsP、GaAs等半导体材料制成的。其核心部分是在P型半导体和N型半导体之间的一个过渡层，称为PN结。在LED的PN结附近，由于P型和N型材料中多子的扩散运动和少子的漂移运动的作用，在PN结上会形成动态平衡并产生一定的势垒。当给PN结加上正向偏压时，在外电场作用下，P区的多子空穴和N区的多子电子就会向对方作扩散运动，构成少数载流子的注入，在PN结附近就会产生导带电子和价带空穴的复合，进而释放出相对应的能量E=hv(h为普朗克常数，v为光子频率)而发光，将电能转换为光能。

若给PN结加反向电压，少数载流子难以注入，无法发光。因此，LED是利用注入式电致发光原理制作的发光二极管。本研究正是基于正向电流对紫外LED的光色电参数进行测量和分析。

2 紫外LED光色电特性分析

2.1 仪器与样品的选择

一般地，将发光波长在380～400 nm的LED称为近紫外LED，发光波长小于300 nm的LED称为深紫外LED。本实验采用深圳市春达鑫光电公司的波长分别为365 nm、380 nm、385 nm、395 nm、400 nm的45mil光宏芯片近紫外LED作为测试样品，标称功率均为1 W。采用Integrating sphere 积分球、Spectro 320 Optical Scanning Spectrometer 光学扫描光谱仪等对紫外LED灯珠的光色电参数进行测试。实验测试过程中，为了方便连接以达到更好的散热效果，实验中将紫外LED灯珠固定在铝基板上，接触面涂导热硅脂。紫外LED灯珠测试全程控制温度在25℃。实验测试环境如图1所示。

图1 测试仪器及环境

2.2 紫外LED光色电参数分析

实验调节正向电流IF从20 mA开始，每次增加10 mA，增大到350 mA，分别测试并记录波长为380 nm、385 nm、395 nm、400 nm的近紫外LED样品的光通量、电功率以及发光效率随正向电流IF的变化情况，并绘制关系曲线，如图2、图3、图4所示。

图2 光通量与IF的关系曲线

由图2、图3、图4可以看出，近紫外LED的光通量、电功率均随正向电流的增加呈亚线性增大，而发光效率却逐步递减。这是由于近紫外LED芯片的有源层是具有直接带隙的AlGaN半导体材料，它依赖电子与空穴的辐射复合产生紫光[5]。当正向电流IF为小电流时，PN结中无辐射复合、材料缺陷以及结温的影响较小。随着正向电流IF的继续增大，PN结电流密度提高，注入的电子-空穴对复合增强，使得光通量随正向电流IF的增加呈亚线性增大。当IF继续增大，光通量趋于饱和，增强变缓，其原因可能是由于PN结：(1)电子在大电流时扩散出势阱，使得无辐射复合的成分上升[6]；(2)功耗增大，导致结温上升；(3)材料缺陷的影响逐渐增强。

图3 电功率与IF的关系曲线

图4 发光效率与IF的关系曲线

2.3 紫外LED光谱分析

通过实验测试近紫外LED在不同电流下的光谱数据，取波长为365 nm的紫外LED，记为样品LED01，测试其在不同电流下的光谱。正向电流取150 mA至650 mA，步长为100 mA。LED01的电压及峰值波长随电流变化如图5、图6所示。

图5 LED01在不同电流下的光谱

图6 LED01峰值波长随电流变化关系

由图6可以看出，本研究测试的LED01紫外光源的峰值波长随正向电流增大而出现红移，但偏移幅度较小，正向电流从150 mA增大到650 mA时，其波长只增加了0.5 nm。紫外LED光谱产生红移现象的主要原因可能是由于AlGaN的极化效应，导致PN结中产生极化电场，使得导带和价带的间隙变大，从而导致峰值波长发生了红移。

3 结语

本文介绍了紫外LED的发展现状，测量并分析了几种波长的近紫外LED在不同正向电流IF驱动下的光通量、发光效率、电功率和发射光谱等参数的变化。研究表明，紫外LED的光通量与电功率随着电流IF的增大而呈亚线性增长的趋势，其发光效率则相反，呈现下降趋势；峰值波长随正向电流的增大出现红移。主要原因可能是受PN结的缺陷、结温、无辐射复合以及半导体材料AlGaN极化效应的影响。紫外LED的上述光色电特性，对制造高品质的紫外LED具有一定的参考价值。