1-1 電激發光二極體(Electroluminescent LED)與光
激發光元件(Photoluminescent device)簡介
我們可以利用發光二極體的發光特性，將能量轉換成光，再以光的形式離開 元件。在能量轉換的過程中，涉及和晶格的熱交換，所以有機會將晶體中的熱能 以光的形式帶出元件而達到降溫的目的。而發光的機制主要可以分成電激發光與 光激發光兩種。
電激發光是在元件上施加正偏壓，將電子電洞注入發光二極體的主動層。電 子電洞對會透過復合的機制消失，其中輻射復合會將電子電洞對的能量轉換成光。
若平均光子能量<ћω>大於將一對電子電洞注入主動層所需的能量 qV 時，就有機 會有冷卻效果。當然，元件是否有冷卻的效果不能單就<ћω>是否大於 qV 來決定。
這還牽涉到了漏電流大小、輻射復合率和總復合率的比例、出光效率及光子循環 效應等複雜的機制。
光激發光則是以約等於主動層能隙的光照射元件，使得主動層中價電帶上的 電子吸收光子的能量躍上傳導帶，在價電帶上留下電洞，形成電子電洞對。傳導 帶上的電子與價電帶上的電洞會吸收聲子而躍上更高的能階，最後輻射復合放出 能量較大的光子，達到冷卻的效果。這種放出光子能量大於吸收光子能量的機制 稱作反斯托克斯位移(Anti-Stokes shift)或是上轉換發光(Luminescence
upconversion)。其冷卻功率除了和電激發光二極體一樣受到輻射復合率和總復合 率的比例、出光效率及光子循環效應等機制的影響外，還和元件對照射光源的吸 收頻譜相關。
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1-2 研究動機與目的
不論是電激發光二極體或是光激發光元件，都是藉由放出光子，以光的形式 將能量帶離元件。但是由於半導體折射率過高的關係，導致光萃取效率不高[ 1 ]，
而造成有些光子無法逃脫元件，這會使得元件的冷卻功率大為下降。因此，在章 節3-2中我們將探討，在低偏壓下，是否有可能讓能量由載子攜帶流出元件來達 到相當的冷卻功率，而不是以光子的方式離開元件，以避開光萃取效率光效率的 問題。
我們也探討雷射光照射是否對電激發光二極體的冷卻功率有幫助。在章 節3-3中我們討論不同雷射光照強度以及不同光萃取效率下電激發光二極體的冷 卻功率。此外，由於電流流經電極時會產生熱，所以我們在章節3-4 中討論元件 所能容忍的最大電極接面阻抗。
過去探討電激發光二極體的冷卻功率的文獻，都是沒有仔細考慮熱傳的情況 下，討論表面出光、主動層長度…等因素對冷卻功率的影響。但實際上，元件的 冷卻功率無論正負，元件和環境間都會有能量的流動。 D. V. Seletskiy 等人觀察 到Yb摻雜的LiYF4 晶體在雷射光照射下，其溫度可以降到155 K[ 2 ]。然而，當 溫度降低時，kBT會小於Yb的基態或激發態中的不連續能階彼此間的差值，因此 這種稀土元素摻雜的塊材很難降溫到100 K以下[ 3、4 ]。但如果使用半導體作為 元件材料，由於半導體的價電帶與傳導帶的能量分佈是連續的，所以其元件溫度 有機會可以下降至100 K以下的溫度，然而截至目前為止，還沒有人觀察到半導 體降溫的情形[ 3、4 ]。2006 年G. Rupper等人經由模擬結果提出半導體冷卻元件 有機會達到10 K的低溫[ 5 ]。因此，我們在章節3-5與3-6中考慮了元件和環境間 的能量傳遞因素，以獲得元件達到穩態時的溫度。
首先在章節3-5-1中我們討論熱傳導係數對元件降溫的影響，並討論在最理 想的情況下(熱傳導係數為零，能量傳遞的途徑只有熱輻射)，元件所能達到的最
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低溫度。在章節3-5-2中我們解釋在固定偏壓與環境溫度的狀態下，會有兩組穩 態解的原因，並探討這兩個解的合理性。元件降溫的幅度和其冷卻功率正相關，
而過去的文獻[ 7 ]上記載，在主動層長度增加時，冷卻功率會提高，所以我們接 著在章節3-5-3中討論主動層長度對元件降溫極限的影響。除了GaAs/AlGaAs外，
InGaAs/InP也是技術發展成熟的半導體材料。章節3-5-4中我們探討使用
InGaAs/InP材料的電激發光二極體是否有可能改善電激發光二極體的冷卻特性。
最後，章節3-6中我們將討論在不同環境溫度下電激發光二極體的降溫幅度與其 降溫極限。
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