光注入与电注入下LED发光特性研究

重庆大学本科学生毕业设计（论文）

光注入与电注入下LED发光特性研究

学生：吴飞

学号：20073401

指导教师：文静

专业：光电信息工程

重庆大学光电工程学院

二O一一年六月

Graduation Design(Thesis) of Chongqing University

The studies on characteristics of luminescence under optical and electronic

injection

Undergraduate: Wufei

Supervisor: Prof. Wenjing

Major: Optoelectronic Information Engineering

College of Opto-Electronic Engineering of

Chongqing University

June 2011

摘要

发光二极管（LED）的非接触测量手段就是光激励LED，那么非接触测量手段能否实现关键是光激励能否取代电激励。国内外的研究表明，在分别往AlInGaP 红色LED里注入相同强度的电流和光强激励LED时，PL和EL有着极为相似的光谱，但是光谱随着注入强度的变化，存在着波峰红移情况，造成两种光谱图有差异。

随着研究的深入，发现影响这种差异的不是注入方式的影响，而是注入方式的不同给LED的p-n结温带来的不同影响，也就是说如果能控制p-n结的结温，相同注入强度下的PL和EL光谱会完全相同，研究表明光注入完全可以取代电注入，即：非接触测量手段是完全可能实现的。

本课题通过研究了LED的发光机理，以及影响LED发光的因素，通过比较光注入与电注入下LED发光特性的区别，得出了以下结论：光致发光和电致发光有着完全相同的发光原理，影响发光光谱的因素也完全相同，但是PL光谱和EL光谱存在着差异，这种差异不是注入方式的影响，而是源于注入方式的不同给LED 结温带来的不同影响。

关键词：发光二极管（LED），p-n结结温，光致发光（PL），电致发光（EL），注入方式

ABSTRACT

The measurement of Light-emitting diodes' (LEDs) non-contact is LED optical excitation,Then the key to the realization of Non-contact measurements is whether electrical stimulation can be replaced by electrical stimulation. Domestic and international researches show that:Respectively, injected at the same intensity current and light to AIInGaP red light-emitting diodes to excite the LED, PL and EL has a very similar spectrum. However, with the different injection of intensities, peak Red shift condition exists, resulting in a difference in the two spectra.

With further research,We find that this difference is not the impaction of different ways of injection methods, but the different injection methods which bring different impacts on p-n junction temperature to the LED .That is to say if we can control the temperature of p-n junction ,We'll get exactly the same spectrum under the same PL and EL intensities.The results show that optical injection can replace the power injection ,Namely: non-contact measurement means is possible to achieve.

This topic research the luminescence mechanism of the LED and the factors that affect LED Light-emitting By comparing the differences of LED light-emitting properties under the optical and electrical injection,we draw the following conclusions ：Photoluminescence and electro-luminescence have the exactly same light-emitting principle ,the factors that affect the Luminescence spectrum of are the same but PL spectra and EL spectra are different,the difference is not the impaction of different ways of injection methods, but the different injection methods which bring different impacts on p-n junction temperatures to the LED.

Key words: Light-emitting diode(LED), p-n junction temperatures, Photoluminescence (PL), Electroluminescence(EL)

目录

中文摘要 (Ⅰ)

ABSTRACT (Ⅱ)

1绪论 (1)

1.1 课题研究的背景和意义 (1)

1.2 国内外研究现状 (2)

1.3 课题任务 (2)

2 发光二极管（LED)简介 (4)

2.1 LED的介绍 (4)

2.2 LED的发光机理 (7)

2.2.1 光致发光（PL） (7)

2.2.2 电致发光（EL） (8)

2.3 影响LED发光的主要因素 (9)

3 LED光注入和电注入下光谱特性的实验研究 (11)

3.1 实验系统 (11)

3.1.1 实验设计流程图，原理图和实物图 (11)

3.1.2 元器件的选择 (14)

3.1.3 实验步骤 (15)

3.2 实验结果及分析 (15)

3.2.1 不同激励强度下PL（连续）光谱，EL光谱及比较 (15)

3.2.2 相同激励强度下PL（连续）光谱，EL光谱及比较 (17)

3.2.3 相同激励强度下PL（脉冲）光谱，EL光谱及比较 (21)

3.2.4 分析和小结 (28)

4 结论与展望 (30)

4.1结论 (30)

4.2展望 (31)

致谢 (32)

参考文献 (33)

1 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

由于LED具有体积小，能耗低，寿命长，高功率，冷光源，绿色环保，应用广等优点，近些年来，LED技术在世界各国得到了巨大研究和发展，随着制造成本的下降和各种技术，难题的突破，世界各国LED照明产业和LED制造业更是倍速发展，LED封装技术在LED产品合格率中起着至关重要的作用，限于封装企业的技术水平参差不齐，封装手段的陈旧，落后，必定导致LED封装产品的废次品率的上升。

我国是世界上LED封装产品第一产业大国，LED封装产品的年产值从2006年的148亿元，2007年的168亿元，2008年的185亿元，发展到2009年的204亿元，2010年的250亿元，增加率一直保持在两位数以上，而年产量更是由2006年的660亿突破到2010年的1000亿只，如此庞大的产量和封装量，次废品率哪怕只有千分之一，我国也会因为因封装工艺上的欠缺或者是检测系统的缺陷而损失数亿元。

文献[1]指出，在芯片的扩片，背胶，点晶环节，都有可能对芯片造成损伤，对LED光学特性和电学特性产生负面影响；而在支架的固晶，压焊过程中，可能会产生芯片的错位，内电极的接触不良，或者外电极引线虚焊或焊接应力，芯片错位影响输出光场的分布及效率，而内外电极的接触不良或虚焊则会增大LED的接触电阻。

由此可见，要提高其封装产品质量，需要对各个生产工艺环节进行实时检测，调整工艺参数，以将次品，废品控制在最低限度。由于封装工艺过程的精细，复杂，高速特性，常规的接触式测量几乎难以实现封装中的质量检测，非接触测量手段成为可能。

一种基于光电二极管光伏效应提出的在线非接触故障检测方法使得LED芯片的非接触检测得以实现，即LED芯片在线非接触检测方法[2]，通过使用电磁感应法，在没有接触的情况下，光生电流很容易被测量，研究表明，该方法很容易实现，从而可用于LED芯片包装的在线故障检测。

非接触测量本质就是光激励LED，那么非接触测量手段能否实现关键是光激励能否取代电激励，国内外的研究表明，在分别往AlInGaP红色LED里注入相同强度的电流和光强激励LED时，PL和EL有着极为相似的光谱，但是光谱随着注入强度的变化，存在着波峰红移情况，造成两种光谱图有差异，随着研究的深入，发

现影响这种差异的不是注入方式的影响，而是注入方式的不同给LED结温带来的不同影响，也就是说如果能控制p-n结的结温，相同注入强度下的PL和EL光谱会完全相同，研究表明光注入完全可以取代电注入，即：非接触测量手段是完全可能实现的。

1.2 国内外研究现状

国内外在光注入与电注入LED发光特性方面都有较为深入而全面的研究。

日本岗山大学的研究表明[3]：在波长为1.54um周围：光致发光和电致发光光谱有Er相关峰且有相似的频谱形状。这些结果说明，光激发和电流注入造成同样的光发射。

而名古屋大学的研究表明[4]：p-n结的结温度线性升高，会导致PL和EL光谱两个波峰红移现象，也就是说两种注入方式（相同注入强度下）引起的PL和EL 光谱有差异，主要是波峰红移的差异，这也间接的说明了p-n结温度影响了两种差异。

由上述两种国外研究结论不难得出新的结论：相同注入强度下，PL和EL光谱的差异源于p-n结温度的不同，与注入方式无关，p-n结温度的升高，会引起不同注入方式下波峰的不同红移从而得到有差异的光谱图。

国内关于光注入与电注入下LED发光特性则更加深入，以我校文玉梅老师等为代表的研究团队的研究表明[5]：无论是PL还是EL，仅用p-n结温度参数估计得到的归一化发光光谱与该温度下实测的归一化发光光谱相同。这表明,这种LED的发光跟注入方式无关,导致其PL与EL谱不一致的主要因素在于器件内部的热效应,热效应导致p-n结温度不同,从而使得器件的禁带宽度不一样,最终使得光谱有所差异。

1.3 课题任务

课题任务：掌握LED发光机理，对影响LED发光的各因素进行分析，通过理论推导和实验研究，研究光注入与电注入下LED发光特性的区别，建立起两种注入方式下发光特性的基本联系。

具体来说，通过以往的专业理论知识的掌握，查阅相关文献资料，了解和掌握LED的基本常识（包括LED的结构，发光原理，影响发光的因素，封装工艺特

点，以及相关光，电特性及参数），光生伏特效应的原理，光致发光和电致发光的原理，传统接触式检测和新型的非接触式检测的几种常用方法，原理和利弊，建立起对LED和LED检测手段的客观描述，应用充足的理论作为支撑，通过实际的动手实验具体研究光注入与电注入下LED的发光特性，利用其各自所得到的光谱来研究两种注入方式的发光特性的区别，建立两种激光源发光方式特性的基本联系。

重点研究内容：本论文重点研究的是光注入与电注入下LED发光特性的区别，建立光注入与电注入下LED发光特性的基本联系，针对目前用于测试LED外延片或芯片光电特性的仪器多采用接触式的电注入检测方法，存在系统复杂，成本高，检测效率低，且易造成芯片损伤等不足。我们提出采用光激励代替电接触实现LED 的非接触检测。该检测方法得以实现的基前提是找到光注入与电注入下LED发光特性的内在联系。一言以蔽之，LED接触式检测弊端太多，非接触式检测可以克服接触式检测的带来的不利影响，实验主要研究的是光注入能否代替电注入，那么如何去设计和研究光注入能否取代电注入呢，其实我们无法直接找到光注入和电注入之间的联系和区别，但是我们可以间接的通过研究两种注入方式下的光谱特性，研究光致发光和电致发光的本质，研究光致发光和电致发光给LED的p-n结带来的影响，研究p-n结温度的变化给PL，EL光谱带来的影响，通过比较光谱建立PL和EL光谱的联系和区别。

比较光谱，我们控制变量，使其符合变量唯一的原则，通过采用多个样本反复实验，减少偶然因素的误差，科学的解释造成光谱每一种差同处的原因，从而一步一步引向结论。

2 发光二极管（LED)简介

2.1 LED的介绍

LED的概念：（Light Emitting-Diode），发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光，LED具有体积小，寿命长、光效高、环保，坚固耐用，多变幻，无辐射与低功耗等优点。LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，直径为5毫米的白光LED光效可以超过150lm／W（2010年数据），寿命可大于十万小时。有人还预测，未来的LED寿命上限将无穷大。

发光二极管的结构示意图：

图1：LED的结构示意图

LED芯片的结构：LED芯片，也称为LED发光芯片，是LED产品的核心部位，也就是指的P-N结。其主要功能是：把电能转化为光能，芯片的主要材料为单晶硅。半导体晶片由两部分组成，p型半导体和n型半导体组成，在p型半导体和n 型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，即发光，这就是LED发光的原理，LED具有正向导通，反向截止、击穿的特性。

本实验采用的是MOVPE技术生长的AlGaInP红光LED芯片，其具体结构图如下图2所示：

图2：红光LED芯片的结构图

其样品的实物图如图3所示，为了便于测量，我们将芯片固定在引脚式的封装支架上，并用压焊机连接了芯片的电极和支架引脚，但未进行灌胶封装。

图3：红光LED芯片的实物图

LED的参数：LED的参数可以用一系列的电学和光学参数来表达。

①电学参数主要有正向工作电流F I，正向工作电压F V，以及I-V特性曲线。

1）正向工作电流F I指发光二极管正常发光时的正向电流值。

2）正向工作电压F V是在给定的正向工作电流中得到的，一般是在F I=20mA 时测得的，发光二极管的工作正向电压F V范围是1.4~3V，当外界温度升高时，F V

将下降。

3）LED的I-V特性曲线是LED电压和电流之间的关系，是表征LED芯片p-n 结制备性能的主要参数，由I-V特性曲线我们可以得出发光二极管的正向电压，反向电流和反向电压等参数，如图4所示：

图4：LED的I-V特性曲线

a.正向工作区：电流F I与外加电压呈指数关系,

()

()

exp/1

F S F

I I q V K T

=?-，

其中S I为反向饱和电流。

b.正向死区：（图oa或oa′段）a点对于V0 为开启电压，当V＜V a，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大；开启电压对于不同LED 其值不同，GaAs为1V，红色GaAsP为1.2V，GaP为1.8V，GaN为2.5V。

c.反向死区：V＜0时p-n结加反偏压V= - VR 时，反向漏电流IR（V= -5V）时，GaP为0V，GaN为10uA。

d.反向击穿区V＜- VR，VR称为反向击穿电压；VR 电压对应IR 为反向漏电流。当反向偏压一直增加使V＜- VR 时，则出现IR 突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同，各种LED 的反向击穿电压VR也不同。

②光学参数主要是LED发出的光的特性，如发射光谱，发光效率，峰值波长及其光谱分布，发光强度。

1）发射光谱：主要有光致发光（PL）光谱，电致发光（EL）光谱，发射光谱反映了发光物质晶体内部的结构和晶格缺陷，LED光谱分布与制备所用化合物半导体材料，性质，以及p-n结（外延层厚度，掺杂杂质）结构有关，与器件的几何形状，封装方式无关。

2）发光效率：辐射出光量与输入电能之比称为发光效率，LED的发光效率有内部效率和外部效率，内部效率主要是指p-n结附近电能转化成光能的效率，外部效率指的是辐射到外部的效率。

3）主波长：有的LED不是发出单一光色的光，不仅有一个峰值波长，可能有多个峰值波长，非单色性，为了描述LED色觉特性引入主波长，一种材料的LED 可以发出多个峰值波长，但是主波长只有一个，而且它会随着LED的长期工作，结温升高而主波长偏向长波长方向；

4）发光强度：表征LED器件发光强弱的重要性能，也叫法向光强，由于LED 晶片大都用圆球或者是柱形环氧树脂封装，有着凸透镜的作用，具有很强的指向性，而位于法向的光强是最大的。

③由LED的光电特性，我们知道可见光的波长范围是380nm到760nm之间，对于不同光的LED芯片，其波长固定，发光光子的能量也就固定了，波长越短，光子能量越低，光的颜色趋向于红光。实验所需的LED芯片发出的是红光，红光的波长范围是610nm到640nm，当发光光子的能量总值大于LED材料的禁带宽度时，额外的能量将转化成p-n结的结温，对LED的性能和寿命都会产生不利影响，LED的光学参数及特性对我的实验研究具有重要意义。

LED的应用：LED优点明显，应用广泛，主要应用于显示屏，交通讯号显示光源，汽车工业上的应用汽车用灯包含汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯以及头灯，LED背光源，LED照明光源，家用室内照明的LED（如LED筒灯，LED天花灯，LED日光灯，LED光纤灯产品）等方面。

据统计，仅温州地区一年要用5 亿只发光二极管，LED的大批量生产和使用也导致了一系列问题的产生，如针对目前用于测试LED外延片或芯片光电特性的仪器多采用接触式的电注入检测方法，存在系统复杂，成本高，检测效率低，且易造成芯片损伤等不足，每年因为接触检测和产生的次废品造成的损失就达到数亿元，封装工艺决定产品的合格率，而检测方式和频率又决定封装工艺的质量，因此寻找合适的检测的方式检测封装前后的合格率，减少次废品的产生率迫在眉睫。

2.2 LED的发光机理

2.2.1 光致发光（PL）

光致发光（英文photoluminescence），简称PL。

光致发光是指物质吸收光子或电磁波以后受激发重新辐射出光子或电磁波的过程，它是广生额外载流子对的符合过程中时常会伴随的现象，这个过程可以具体阐述为受激物质吸收激励光子跃迁到较高能级上去，变成激发态，当激发态的电子自发的跃迁到低能级或者是基态时，会重新释放出光子，实现发光过程，光

致发光发出的光是一种荧光。

固体吸收外界能量后很多情况下都会转变为固体内部的热效应，存在着在任何情况下都能发光，但是只有当固体中存在发光中心时才能有效的发光，发光中心通常是由杂质离子或者是晶格缺陷组成的，发光中心吸收外界能量后会从基态激发成激发态，当从激发态回到基态时会以发光的形式释放出能量。

光致发光常用于提供半导体材料的电学、光学特性信息的光谱技术，可以用来研究带隙、发光波长、结晶度和晶体结构以及缺陷信息等。

对于本实验，我们采用激光器激励LED芯片，激光是激励源，LED芯片是受激物质，LED芯片吸收激光光子后电子会跃迁到高能级上去，当它们自发跃迁到低能级时会重新辐射出新的光子，这些光子会以发光的形式辐射能量，除此之外，当激励光子的能量大于LED材料的禁带宽度时多余的能量会转化成LED芯片内部的温度。

2.2.2 电致发光（EL）

电致发光(英文electroluminescent)，又可称电场发光，简称EL。

是通过加在两电极的交流电压产生交流电场，被电场激发的电子，碰击荧光物质的发光中心，而引致电子能级的跃迁和复合导致辐射出高效率冷光的一种物理现象。

具体来说，在外界电压的激励下，电极注入的电子和空穴在被激励物质中复合，产生的能量激发有机物的分子跃迁到高能级（激发态），当分子重新跃迁到低能级（基态）时，会因为辐射跃迁而发光，从发光过程具体的阐述中，我们可以把发光过程总结成五个过程：载流子的注入；载流子的迁移；载流子的复合；载流子的迁移；电致发光。这是一种电转变为光的过程，也就是电激发光的现象，根据发光原理的区别,场致发光分为本征场致发光和注人式场致发光两种。

我们知道电致发光材料和结构通常是将荧光粉放置于两电极之间，即夹层式结构，上面的电极是ITO膜（透明导电膜），下面电极是背电极，发光材料是ZnS （硫化锌），LED的电致发光，如图5所示，图5展示的是电致发光片的简单结构。

目前电致发光的研究方向主要为有机材料的应用。电致发光板是以电致发光原理工作的。电致发光板是一种发光器件，简称冷光片、EL灯、EL发光片或EL 冷光片，它由背面电极层、绝缘层、发光层、透明电极层和表面保护膜组成，利用发光材料在电场作用下产生光的特性，将电能转换为光能。

图5：电致发光片的原理结构图

2.3 影响LED 发光的主要因素

文献[5]指出要定量的描述LED 的发光光谱，就必须研究受激光辐射和自发光

辐射复合之和，基于这个原理，文献[6]给出下面发光光谱的归一化线性函数：

()12122A exp(())g g

g E E E E E E E dE d K T K T K T π---????=- ? ???????? （1） 其中：A(E)表示发光光谱归一化函数，E 表示发光光子的能量，

g E 表示LED 材

料的禁带宽度，K 表示波尔兹曼常数，T 表示p-n 结的结温。 由公式（1）我们可以看出A(E)是可以直接从光谱中测出的，K 是常数，LED

的发光光谱归一化函数主要与材料的禁带宽度和p-n 结的结温有关系。

而文献[7]又指出对于带间直接跃迁情况，p-n 结的结温T 与材料的禁带宽度

g E 的关系满足V arshni 等式

()()20g g aT E T E b T =-+ （2）

其中：()g E T 表示温度为T 时的材料的禁带宽度，()0g E 表示温度为0时的材料

的禁带宽度，a 和b 是和材料相关的常数，称为V arshni 温度系数。

由公式（2）我们看出材料的禁带宽度也是与p-n 结的结温密切相关的，受温

度的影响。因此我们断定影响LED 发光光谱的因素是p-n 结的结温。结温是LED 的一

个关键参数，影响到LED内部的效率，最大输出功率和可靠性。

实验研究也表明，影响LED发光的因素主要有附加在LED上的激励强度的不同，环境温度的影响，还有LED本身的半导体材料的影响及加工LED的工艺技术的影响，还有LED的外量子效应也会影响LED的发光效率。

具体来说，LED的发光强度与正向电流（激励光）几乎成线性关系，即增加正向电流（激励光）可增加发光强度。但LED有一个最大功耗PD值的限制，若过大地增加正向电流值而使最大功耗超过最大值时，LED会过热而损坏。

因为LED元件的基本特性是，如果温度上升，发光效率就会下降以及造成演色性偏差，因此LED发光受温度影响很大，如何有效的释放大量产生热量的放热技术成为了关键，因此将LED装在热传导率大、热容量大的材料上就成了相当重要的问题，目前大多是使用有价金属或者陶瓷。

采用相同激励强度的光激励和电激励LED，我们会发现，PL和EL光谱有明显差距，但是当控制两种激励下的结温相同时，我们发现PL和EL光谱几乎完全吻合了，这说明，LED的发光还于p-n结的结温有关。

在材料选择上，早期的LED主要用二元素的半导体材料和三元素的半导体材料，如GaP，GaAsP，后来采用四元素的半导体材料后（AlInGaP），LED的发光强度及发光效率有很大的提高。另外，在工艺技术上采用在SiC衬底上用InGaN材料生产的绿光LED和蓝光LED；在GaAs衬底上用AlInGaP材料生产的红光LED，黄光LED，在发光强度及发光效率上也有较大的改进。

由于早期的LED表面材料导致LED的外量子效率低，具体来说，LED表面与空气界面的全反射条件的限制,导致光提取效率不高，目前国际上有许多提高LED光提取效率的方法,如表面粗化,制作布拉格反射层,制作二维光子晶体等。

内量子效应也在很大程度上影响LED的发光效率[8]，电子跃迁产生光子的效率如何提高呢？第一：降低非辐射跃迁，减少非辐射的复合中心（主要是晶体缺陷）；第二：形成稳定的需要的能级差，主要技术手段有1）有效掺杂，2）降低p-n结温。

3 LED 光注入和电注入下光谱特性的实验研究

3.1 实验系统

3.1.1 实验设计流程图，原理图和实物图

①实验设计的流程图（见图6(a),图6(b)）

图6(a)：光注入下LED 发光特性研究设计流程图

图6(b)：电注入下LED 发光特性研究设计流程图

其流程基本思路：1）光注入下LED 发光特性研究设计：激光通过聚光透镜汇

聚到LED 芯片上去，LED 会激励出光束，再通过一系列的透镜系统后被准直，汇聚，最后经滤光被光谱仪接收，从而显示到计算机上。

2）电注入下LED 发光特性研究设计：控制恒流源电流，使得LED 芯片发光，

经过一系列的透镜系统后被准直，汇聚，最后被光谱仪吸收，从而显示在计算机上。

恒流源 AlInGaP 红光LED 芯片 计算机 光谱仪

透镜系统 AlInGaP 红光LED 芯片 透镜系统+滤光片 光谱仪

计算机 聚光透镜 激光器

②实验设计的原理图（见图7）

恒流源

蓝光激

光器光谱仪

计算机红光L E D 芯

片聚光透镜

准直透镜

滤光片

图7:实验设计的原理图

在整个实验中，变量是激励源和注入强度的不同，从原理图来看在本次实验

中，光注入和电注入LED 的原理基本相同，所需元器件也差异不大，唯一较大差别的是激励源不同，光注入LED 的实验，激光激励LED 需要一个聚光透镜来汇聚光束，而电激励LED 只需直接接入一个恒流源即可，由于LED 被激励发光的光是发散的，杂乱无章，因此需要一个准直透镜去准直光束，再经过一个聚光透镜汇聚光束，实验还要一个滤光片过滤掉激光的光束，实验中我们可以看到不使用滤光片，激光的光束要远比LED 光束发光强度大，在光谱图上形成一个很大波峰，

严重干扰了LED的光谱图，因此我们需要过滤掉激光的光,但是在电激励LED 实验中则不需要滤光片。

实验中透镜的焦距都是事先知道的，因此在调节光路时重点不是调整焦距，而是光路是否在一条水平线上，对于光注入LED实验，我们在光注入下LED原理图里的两根导线接入万用表，观察万用表的电压值，对于红光LED芯片，我们知道当万用表的电压值达到1.7V时较为理想，说明光路调整比较理想，红光LED芯片基本上全部吸收激光的激励光。

③实验设计的实物图（见图8）

图8:实验设计的实物图

3.1.2 元器件的选择

本实验所用到的实验器件以及数量可用表1来说明

器件名称红光LED芯片蓝光激光器恒流源光谱仪计算机数量8 1 1 1 1

平凸透镜滤光片数据采集卡固定架万用表 5.1欧姆电阻

3 1 1 5 1 1

表1：实验所需器件及数量

具体说明：

①红光LED样品是MOVPE技术生长的AlGaInP（Aluminum Gallium Indium Phosphide）材料多量子阱结构外延片制成的一种芯片，其结构上文如图1所示。芯片中心标称波长632nm，面积12mil×12mil，厚度225μm，之所以使用红光LED芯片是因为文献[9]指出：只有红光AlGaInP的红移在实验中才值得相信，GaN有极化效应导致了蓝移现象（与温度强相关的）

②实验采用的激光器是波长为480nm的蓝光激光器，其发光功率为

mW mW

:；

20200

③平凸透镜主要作用是汇聚光束，准直光束：第一个平凸透镜主要用来汇聚激光器产生的光源（激光是准直性很好的光源，因此无需准直透镜），使其最大程度上打到LED芯片上去，第二个透镜是准直透镜，由于LED发出的光是杂乱的，因此需要一个准直透镜来准直光路，第三个透镜是汇聚准直后的LED光，使其最大程度上被光谱仪吸收；

④滤光片的作用过滤掉激光的光，防止对实验中LED发出的光束产生干扰；

⑤实验采用的光谱仪是USB4000型光谱仪收集光谱信号；

⑥实验采用固定架,确保光路通过透镜的中心,以最大程度聚集光束，分别固定了3个平凸透镜，1个LED芯片，1个滤光片；

⑦万用表主要用来检测LED芯片是否是完好，以及实验中检测光路是否对准，是否最大程度接受激励光；

⑧5.1欧姆电阻是小电阻，主要目的在于方便测量光致发光的短路电流，从而使得光致发光的短路电流等于电致发光的正向电流，确保激励强度相同，从理论上说，接入电阻越小越好，但是5.1 电阻是本实验能找到的最小电阻；

⑨数据采集卡主要是采集激光激励LED芯片产生的电压（无法直接测出电流），通过电压/小电阻=电流，来得出光致发光的短路电流值；

⑩计算机主要是通过软件显示，观测和处理光致发光和电致发光产生的光谱图，以及相关数据，并且通过激光器附带的软件来调节控制激光器的发光功率。

3.1.3 实验步骤

①按照实验要求挑选，验证并组装实验元器件，调节光路使其符合实验要求；

②往红光LED芯片里分别依次注入功率为20m W，40m W，60m W，80m W，100mW，120mW，140mW的连续激光，绘出各功率激光下对应的光谱图；

③接入5.1 的小电阻，使用采集卡分别记录注入功率为20m W，40m W，60m W，80m W，100mW，120mW，140mW连续激光时的电压值，用电压值除以小电阻值得到一组电流值并记录下来，得到的电流值依次为0.4267mA，

0.8003mA，1.2100mA，1.5962mA，1.9656mA，2.3420mA；

④控制恒流源的电流值，使得恒流源输出的电流与实验步骤③中的电流值分别一一对应（确保注入强度相同，即激励光的短路电流等于恒流源注入的电流），绘出各输出电流下对应的光谱图；

⑤控制快门速度为160s，再分别往红光LED芯片里依次注入功率为20m W，40m W，60m W，80m W，100mW，120mW，140mW的脉冲激光，在一幅图里绘出对应的光谱图，比较并得出结论；

⑥控制快门速度为1120s，再分别依次往红光LED芯片里注入功率为20m W，40m W，60m W，80m W，100mW，120mW，140mW的脉冲激光，在一幅图里绘出对应的光谱图，比较并得出结论；

⑦相互比较步骤②里各注入功率下的光谱图，然后再相互比较步骤④里各注入电流强度下的光谱图，分析并得出结论；

⑧分别随机抽取样本，比较步骤②和步骤④里相同激励强度下一一对应的光谱图，分析并得出结论；

⑨分别分别随机抽取样本，比较步骤④和步骤⑤，步骤④和步骤⑥相同激励强度下一一对应的光谱图，分析并得出结论。

⑩依据以上事实，分析并得出最终结论，完成实验。

3.2 实验结果及分析

3.2.1 不同激励强度下PL（连续）光谱，EL光谱及比较

①不同激励强度下PL（连续）光谱（如下图）

表2是注入的激光功率数值，其数值按照不断增强的趋势施加的。