将LED光谱测量引入大学物理实验

张师平 吴平 闫 丹 裴艺丽 李 莉

(北京科技大学1数理学院,2自然科学基础实验中心,北京 100083)

发光二极管的英文写为Light-emitting diode,简称LED,1993年在日本日亚化学工业工作的中村修二首次成功地将镁元素掺入氮化镓中,制造出了宽带隙P 型半导体材料,并成功应用于具有广泛应用价值的蓝光LED 中[1]。2014年,中村修二与天野浩及赤崎勇一起因此获得了诺贝尔物理学奖。可发射蓝光的LED 的发明可以说是里程碑式的成绩,因为它的发明是后来白光LED的基础,也是现代我们日常生活中照明光源快速被LED 所替代的基础。LED 光源具有诸多的优点:(1)能量转换效率高,目前市面上所售卖的LED 光源的能量转换效率可以达到160lm/W 以上,约是白炽灯的10倍,是日光灯管的2倍以上;(2)使用寿命长,在有着良好散热的情况下,LED的使用寿命可以达到10万小时,是白炽灯的100倍,是日光灯管的10倍以上;(3)体积小,LED 一般可以制造得很小,长度小于2mm,这样不仅易于安装而且更易于与透镜配合使光束汇聚或发散,目前很多汽车都开始采用LED 作为其前照灯。除此以外LED 还有反应时间短、抗频闪能力强、抗机械冲击能力强、单色性好等特点。

目前,LED 已经广泛得应用在我们的日常生活中。将其引入大学物理实验中[2],使学生掌握LED的基本伏安特性以及其光谱特性,有助于加强学生对这一诺贝尔物理学奖级的半导体器件的理解。其中,LED 的伏安特性实验我们已经在2015年引入到大学物理实验的教学中[3],并取得了良好的教学反馈。

1 LED的工作原理

LED 实际上是一个P-N 结注入器件,蓝光LED基本结构如图1(a)所示,当未施加电压时,N型区的电子和P 型区的空穴相互扩散,并在建立了自建电压V0后平衡并形成空间电荷区。当对LED 施加一个正向偏压时,随着电压V的增大,自建电压由原来的V0降低为V0-V,随着平衡的打破,来自N 型区的电子开始向P 型区扩散,即为电子注入,如图1(b)所示。注入的电子主要在P型区发生复合,复合后形成光子,因此这种复合发光主要也发生在空间电荷区的P型一侧。这种由于多数载流子注入而引起电子和空穴对发生复合发光被称为注入式电致发光。同时,电子和空穴对复合所发出的光子的方向是随机的。

对于如图1所示的LED 结构中,为了可以让更多的光子从P 型区(常被称为窗口层)辐射出来,在制备LED 的过程中就应当尽量减少P型区的厚度。但是减少了P 型区的厚度后,会造成部分注入的电子直接隧穿到达P 型区的表面,由于表面缺陷的存在,达到表面的电子被缺陷俘获产生无辐射复合(以热的形式释放能量),降低了LED 的发光效率。相对于同质结,异质结两侧的材料具有不同的禁带宽度,接触以后由于费米能级不同而产生电荷转移,直到将费米能级拉平。这就导致能带出现不连续,界面处出现能带的凸起和拗口(势垒上将出现一个尖峰),从而对注入的电子起到了具有更好地限制作用,同时避免了漏电流的产生。为了提高LED 的发光效率,采用不同禁带宽度的材料制备的异质结结构构成P-N结是一种常用的LED 设计,图2展示了双异质结LED 的结构[4]示意图。

图2 双异质结LED 结构示意图[4]

在二极管中电子空穴对相互复合而形成的光子能量取决于材料的禁带宽度可以近似表示为其中,h为普朗克常数,ν为光子频率,E g为半导体禁带宽度。对于异质结蓝光LED,其光子主要产生于靠近pGa N 的量子阱中,所以光子能量取决于量子阱材料InxGa1-xN 合金的禁带宽度通过调节In 组分,其禁带宽度可在0.7e V(In N)与3.4e V(GaN)连续可调。红光LED 为了得到更长的发光波长,采用了LaGa As/Ga As的材料体系,以调整禁带宽度。也正是因为光子能量取决于禁带宽度的能量的原因LED 常具有较好的单色性。

目前,常见的白光LED 主要有两种方式实现。其一,采用红、绿、蓝(三基色)三种不同颜色的LED 集成在一起,经过适当的比例匹配后混合成白光。由于这种方法制造的白光LED 所发出的光都来自各自颜色的LED,因此具有发光效率高的优点。但也正是这个原因,这种白光LED 也有成本高的劣势,同时,由于三基色的LED 在使用过程中衰减速度不同,长时间使用后会有变色的问题。其二,采用蓝光LED 激发荧光粉的方式,用LED 本身的蓝光和其激发荧光粉发出的黄绿色光混合形成白光。这种白光LED 虽然发光效率有所降低,但是其具有显色性好、成本低、长时间使用不变色的特点,是市场上常用的白光LED 的制造方案。

2 LED发光光谱实验装置

LED 的发光光谱实验的设备由不同颜色的LED 灯珠、驱动电源和光栅光谱仪组成,如图3所示。为了保证LED 工作时有稳定的结温,需要良好的散热作为保证。实验中所用的蓝光LED 和白光LED 分别如图4(a)(b)所示,我们将LED 灯珠焊接在铝基板上,并将铝基板(如图4(c)所示)固定在一整块鳞状散热器上。驱动电路可以作为恒流源为LED 提供不同大小的驱动电流。光栅光谱仪用于测量LED 光谱,是天津港东科技股份有限公司生产的WGD-8A 型组合式多功能光栅光谱仪,其光谱分辨率≤0.06nm,波长准确性为±0.2nm,波长重复性为0.1nm。

3 LED的发光光谱特性

图3 LED 光谱测量图

图4 蓝光LED 和白光LED 灯珠

将LED 的发光光谱实验引入到大学物理实验中,实验内容的考量是关键,我们将分别从单色LED 的发光光谱特性、白光LED 的发光光谱特性、驱动电流大小对LED 光谱特性的影响三方面入手。我们分别用图3中所示的实验装置分别对蓝光、绿光、红光和两种不同色温的白光LED 进行了光谱测量。

3.1 蓝光、绿光和红光LED的发光光谱特性

图5展示了归一化后的蓝光、绿光和红光LED 的发光光谱。从图中可以看到这三种LED的发光光谱的中心波长分别为458nm、530nm 和636nm,而光谱半宽度分别为17nm、32nm 和16nm。显然蓝光和红光LED 相比于绿光LED来说具有更好的单色性,这是由于随着技术的不断进步,红光和蓝光LED 的技术和工艺已经非常成熟,市面上可以买到的红光和蓝光LED 灯珠均具有非常好的工艺质量;而绿光LED 相对于蓝光LED 来说是在量子阱中掺杂更多的In组分使其禁带宽度变窄,容易引入更多的生长缺陷以及组分非均匀性,技术难度有所增加,目前市面上可以买到的绿光LED的性能都不能和蓝光LED相比。

图5 蓝光、绿光和红光LED 的发光谱线

3.2 白光LED的发光光谱特性

图6展示了归一化后的两种不同色温的白光LED 发光光谱。我们假设一种光源的发光主要是热释光,如白炽灯的发光就可以认为是一个很好的热释光。这种光源的发光特性符合黑体辐射,其光谱可以用普朗克公式确定,即

式中,ħ为普朗克常数;k为玻耳兹曼常数;c为光速;T为发光体的温度(绝对温度);ω为发光体的辐射频率,可以表示为,而λ为发光体的辐射波长。如果求出式(2)中辐射强度最大时所对应的波长,即

图6 两种不同色温的白光LED 的发光光谱

式(3)中的单位为nm,可以用该式计算发光体的色温。如果一个符合黑体辐射的发光体所发出的光谱的峰值对应的波长为500nm,所对应的发光体的温度为5800K,我们就说这个发光体的色温为5800K。我们一般把符合黑体辐射的光源定义为理想光源,例如阳光、白炽灯、卤素灯等都可以认为是理想光源。LED 并不是一个可以看做黑体辐射的发光体,图6展示了两种不同色温的白光LED 的发光光谱,可以看出实验中测量的白光LED 是用蓝光LED 激发荧光粉混合发光而形成的。之所以我们常用色温来标称不同的白光LED的照明特性,是因为生产过程中使用了不同配比的荧光粉,调节荧光粉的发光光谱可以得到看上去对应的理想光源(黑体)的色温。

3.3 驱动电流对LED的发光特性的影响

如果我们用不同的电流来驱动LED(以蓝光LED 为例),也会发现其光谱有所不同,如图7所示。仔细观察不难发现,当驱动电流增加时,发光光谱的强度随之增加,中心波长也略有变化,如表1所示。由此可见,在本实验电流范围,随着驱动电流的增加,蓝光LED 的发光光谱发生了蓝移。当驱动电流增大时,LED 中的P-N 结的低能态首先被填满,量子阱中的载流子将进一步跃迁到更高的激发态上,因此,其所发射的光的波长也会相应变短,这种效应常被称为能带填充效应。实际上,随着驱动电流进一步增大,由于散热受限,LED的结温会急剧升高,同时斯托克斯偏移[5],造成发光波长偏长。能带填充效应以及斯托克斯偏移是一对相互竞争的关系,是影响LED 发光峰位的主要因素。同时,结温升高导致非辐射复合增加,发光强度增速减缓。但是,过高的驱动电流会对LED 寿命造成影响,因此在本文的实验内容的设计上没有采用过大的驱动电流。

图7 不同电流驱动下,蓝光LED 的发光谱线

表1 蓝光LED在不同的驱动电流下的中心波长的变化

4 结语

随着时代的发展,LED 已经成为了继白炽灯、荧光灯之后的第三代照明光源,其光效高、寿命长的优点已经非常显著,且已集成量产。随着2014年诺贝尔奖的颁奖,LED 的相关实验成为了诺贝尔奖级的实验。将LED 光谱实验引入到大学物理实验中与光栅光谱仪实验相结合,既可以使学生在完成实验的过程中掌握新的半导体器件的发光原理和光谱特性,又可以让学生从中体会到物理学科在高新技术中的重要作用。在我国近年来提出的“新工科”建设的背景下,这对培养出能够面向未来发展的跨领域、跨学科的综合创新型人才尤为重要。希望本文可以起到抛砖引玉的作用,让更多的有物理内涵的高新领域研究成果进入大学物理实验的教学中。

审稿意见和作者修改说明摘录

论文介绍了将LED 相关实验引入大学物理的经验及其相关内容,具有自己的经验,经过更加细致的整理后,适合发表在本刊。但是论文还需要解释以下的问题:

1.作者给出了为了避免单异质结的问题而引入了双异质结,但是没有阐明相关的机制。这个可以作为思考题留给学生,但是在本文中最好作介绍,有利于读者或者其他学校参考。

答:相对于同质结,异质结两侧的材料具有不同的禁带宽度。由于其介电常数不同,界面处会出现能带的凸起或拗口,导致能带出现不连续,从而对注入的电子具有更好的限制作用,同时避免漏电流的产生。我们已经在文中增加了相应的内容,并用红色字体标注。

2.在本实验中,测量数据的误差分析内容有吗? 如果有的话,可以加到文章中。

答:测量光谱实验一般以仪器参数来探讨测量数据的准确性。本文中用于测量LED光谱的仪器设备是天津港东科技股份有限公司生产的WGD-8A 型组合式多功能光栅光谱仪,其光谱分辨率≤0.06nm,波长准确性为±0.2nm,波长重复性为0.1nm。另外,本文在实验内容设计上主要是希望学生通过不同类型的LED 发光光谱的测量掌握新的半导体器件的发光原理和光谱特性,数据处理的重点是光谱的绘制与曲线分析,数据的误差分析确实没有进行考虑。但是可以引导学生学会认识光谱仪的一系列参数和具体含义,及其对测量结果的影响。基于此,我们在文章中增加了相应的内容,并用红色字体标注。

3.对于图6的两个发光峰,可以看到红色曲线的蓝光峰和黑色曲线的蓝光峰有稍微的蓝移,原因是什么?

答:不同色温的LED芯片是从厂家购买的,蓝光来源于InGaN量子阱的发光,In组分的微量波动都会导致蓝光发光峰发生偏移。图6中发光峰的偏移源自InGaN 工艺中In掺入的非均一性。而不同厂家甚至于不同批次的LED芯片很难保证In组分完全相同,因此本实验中看到了两个不同色温LED的蓝光峰并不重合,因此,本文中测量到的这种蓝光峰的不重合并不是由于某种物理机制造成的蓝移现象。

4.在实验中是否可以讨论发光效率的问题? 这个也是LED 测试一个重要的参数。

答:通过本实验可以定性分析单色LED 的发光效率高低。在同样的测试条件(同样的设备、同样的驱动电流)下,电致发光强度越高,该LED 的发光效率越高。而定量表征LED 的发光效率,则需要额外的设备。发光效率的单位为lm/W,可以通过IV测试得到顺向电压和驱动电流,得到输入功率(单位W);通过积分球配合定标后的光谱仪测量LED 的光通量(单位lm);通过计算得到LED 的发光效率。但积分球和经过定标的光谱设备都是专业仪器设备,考虑到大多数工科物理实验室或普通物理实验室缺少这样的专业仪器,因此本文所做的实验中并未测量LED 的发光效率,在实验设计中也没有设计定量测量发光效率的实验内容。请审稿人理解。

5.有些小的细节错误,比如在图6上边一段的介绍中,本来应该是图6,结果写成了图5.“图5展示了两种不同色温的白光LED 的发光光谱,”

答:非常感谢审稿人指出的错误,我们已经在文中进行了相应的修改,并用红色字体标注。