耦合电致发光附件测试III-ⅤLED的应用

早在1907年，英国工程师Henry Joseph Round在碳化硅晶体上施加一定的电压后，观察到碳化硅发射出微弱的黄色光。这既是最早观测到的电致发光现象，同时也是成功制备的第一个发光二极管(LED) [1-2]。20世纪早期，Round的工作被进一步研究 [2-3]，但LED尚未达到实用效果[2]。20世纪60年代，第一个商品化的LED 问世，可以在近红外及红光区域发光。20世纪90年代末，蓝、绿两色高效的InGaN基发光二极管得到突破，意味着真正迎来了LED时代。

现代LED是一种高效、明亮、可靠、应用最为广泛的光源。随着新器件的构建与掺杂方法的深入研究，LED技术仍在快速发展。电致发光(EL)光谱技术是用于表征新型LED并促进其发展的一项重要技术。通过测试电致发光及时间分辨光谱可以研究发光器件的性能。根据发射光谱可以计算得到LED的色度坐标和显色指数，以及半导体的带隙等基本性质。时间分辨的电致发光光谱可用于探究器件对短电压脉冲的电发光响应，以研究器件中的载流子动力学，如有机半导体（OLED）中的三重态形成。

大多数典型的LED由III-V族化合物半导体构成。III-V半导体是指包含元素周期表中第III族(B, Al, Ga, In)和第V族 (N, P, As, Sb)元素的合金材料。对于蓝色和绿色的LED，通常为In、Ga和N元素。InGaN基LED中的p型和n型区域由GaN形成，其带隙较大，为3.4 eV (360 nm)。可以通过调节Ga与N比值使其成为p型或n型。InGaN基LED的有源区由InxGa1-xN形成，加入In元素会降低半导体的带隙。通过改变In与Ga的摩尔比，可以调谐LED的发射波长和发光颜色。但随着In含量的增加，InGaN发光二极管的效率也会随之降低。因此，通过增加In的含量使其发射波长大于550 nm是没有实用意义的。光谱覆盖范围超过550 nm最为常用的LED为(AlxGa1-x)0.5In0.5P。可通过增加Al和Ga的摩尔比，使其带隙增大, 发射波长蓝移。采用电致发光技术能够测试InGaN和AlGaInP LED的发射波长，并确定LED的有源区带隙及组成。

本篇应用，通过使用耦合电致发光附件的FS5荧光光谱仪测试了四种III-V族化合物发光二极管的发光特性并确定它们的带隙和色度坐标。

测试仪器与样品

仪器：FS5光谱仪（PMT-900检测器）；电致发光附件。

样品：蓝色(OVL-5523)，绿色(OVL-5524)，橙色(OVL- 5528)，红色(OVL-5526) 发光二极管均购于Farnell公司。

测试结果

图1为4种III-ⅤLEDs的电致发光光谱图。蓝、绿两色InGaN基LED发射峰分别位于462 nm 及516 nm。黄、红两色AlGaInP基LED的发射峰分别位于594 nm及630 nm。

图1 . InGaN和AlGaInP基 LED的电致发光光谱及半宽峰

对于显示应用来说，通常是根据色度坐标而不是发射波长来对LED发光颜色进行分类的。FS5的Fluoracle®软件内置向导能够根据发射光谱图计算生成CIE 1931或CIE1976色度空间的色度坐标。如图2所示是四个LED在CIE 1931色度空间中的色度坐标。

图2 . CIE 1931色度空间中四个LED的发射色度坐标（由图3中的电致发光光谱计算得到）

利用从电致发光光谱获得的信息，通过将LED发射峰值转换为能量单位，可以简单地确定LED的有源区带隙，如下表1所示。根据带隙能可以确定LED有源区的组成成分。

对于InGaN基LED，其带隙和成分之间的关系满足于以下经验公式(1)：

Eg= EgGaN+( EgInN- EgGaN)x-x(1-X)Eb              (1)

其中，Eg表示InxGa1-xN的带隙，EgInN和 EgGaN代表GaN 和InN的带隙分别为3.42 eV 和0.77 eV[2], x为In与Ga的比值。Eb为弯曲常数值2.4 eV[2,5]。将这些值和表1中的带隙值代入到公式（1）中可得到蓝、绿两色LED的x值分别为0.16和0.23。

对于AlGaInP基LED，其带隙和成分之间的关系证实满足于下列经验公式(2)：

Eg= EgGaInP+ 0.61x                                        (2)

其中，Eg表示(AlxGa1-x)0.5In0.5P的带隙，EgGaInP表示Ga0.5In0.5P的带隙, x为Al与Ga的比值。将文献中EgGaInP =1.91eV[2]以及表1中的带隙值到公式（2）可得到黄色和红色LED的x值分别为0.30和0.10。

表1. 四种LED的发射波长，带隙以及组成

结论

FS5光谱仪通过耦合电致发光附件成功测试了4种III-V LEDs的发光性能。FS5软件可根据电致发光光谱中的发射峰位置以及半高宽计算LED的色度坐标。此外，通过发射波长也可计算得到半导体带隙以及组成。实验证明FS5可耦合电致发光附件拓展其应用实现对光电器件的测试。

参考文献

[1] H. J. Round, A note on Carborundum, Electrical World, 49, 309 (1907) [2] E. F. Schubert, Light-Emitting Diodes, 2nd ed., Cambridge University Press, Cambridge, NY, (2006) [3] O. V. Lossev, Luminous Carborundum Detector and Detection Effect and Oscillations with Crystals, Philosophical Magazine 6 1024 (1928)

[4] E. P. Wagner Investigating Bandgap Energies, Materials, and Design of Light-Emitting Diodes, J. Chem. Educ. 93 1289 (2006)

[5] L. Siozade, J. Leymarie, P. Disseix, A. Vasson, M. Mihailovic, N. Grandjean, M. Leroux, J. Massies, Modelling of Thermally Detected Optical Absorption and Luminescence of (In,Ga)N/GaN Heterostructures, Solid State Commun. 115 575 (2000)

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