LED結(jié)構(gòu)及原理講述[稻谷書(shū)苑]

1、紅光LED結(jié)構(gòu)：從上向下看，n型砷化鎵基板、n型AlGaAs(大bandgap材料)、p型活躍層（小bandgap材料），即發(fā)光層，決定發(fā)光波長(zhǎng)，1.42eV，850nm附近，紅外范圍，可以通過(guò)調(diào)整Al的含量，使之在紅光范圍發(fā)光；化合物半導(dǎo)體中增加Al，會(huì)使bandgap變大， p型AlGaAs (大bandgap材料) ，器件為雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，即小 bandganp材料夾在2個(gè)大bandgap材料之間；隨后是一層cap layer，介電層，電極。此圖是長(zhǎng)完累晶層后翻過(guò)來(lái)的結(jié)果，原因：基板是GaAs，1.42eV，發(fā)紅外光，只要波長(zhǎng)短于紅外的光，它會(huì)吸收所有可見(jiàn)光，造成中間發(fā)光層發(fā)出的光全部被基板

2、吸掉，至少有一半的光被吸掉，所以要翻過(guò)來(lái)，在基板上挖個(gè)洞，形成top-down方式。大部分LED都是面射型。1知識(shí)書(shū)苑也是翻過(guò)來(lái)top-down，InP為基板，1.35eV,也會(huì)吸可見(jiàn)光，但圖中為紅外LED。如何看出紅外：InGaAsP：1.33-1.5eV，發(fā)光層是narrow bandgap材料，上下2個(gè)InP都是large bandgap材料，標(biāo)準(zhǔn)的雙異質(zhì)結(jié)，無(wú)需再襯底挖洞，讓光出來(lái)。2知識(shí)書(shū)苑沒(méi)有翻過(guò)來(lái)，沒(méi)有用到異質(zhì)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單的pn型，GaP:N是發(fā)光層，GaP:簡(jiǎn)介帶隙，效率不高，2.26eV，接近綠光。3知識(shí)書(shū)苑邊射型LED,紅光結(jié)構(gòu)，雙異質(zhì)結(jié)，發(fā)光層為narrow bandgap

3、材料，夾在2個(gè)large bandgap材料之間，邊射型發(fā)光不會(huì)太強(qiáng)，大部分光被基板吸掉。（1980年以前）4知識(shí)書(shū)苑高亮度可見(jiàn)光LED四元化合物半導(dǎo)體制作方法：n-GaAs做基板，Si較少用，會(huì)有晶格不匹配問(wèn)題；n-AlInP中摻鋁，帶隙擴(kuò)大，發(fā)光層是MQW結(jié)構(gòu)，p-AlGaP（MgII族），II族元素?fù)饺胱逶刂?，形成p型半導(dǎo)體；兩邊為為大bandgap材料，5知識(shí)書(shū)苑藍(lán)綠光LED通常用2種基板：藍(lán)寶石（有雜質(zhì)時(shí)呈現(xiàn)藍(lán)色，無(wú)雜質(zhì)時(shí)是透明的），其bandgap很大，因此可見(jiàn)光不會(huì)被它吸收掉。制作方法：在外延生長(zhǎng)之前，需使用一項(xiàng)非常重要的技術(shù)，緩沖層技術(shù)（buffer layer），通常要在約

4、500度低溫生長(zhǎng)，而非1000度以上高溫。這一層質(zhì)量并不好，但作用很重要。再長(zhǎng)一層n型GaN，隨后是MQW結(jié)構(gòu)做發(fā)光層，再長(zhǎng)一層p型GaN,再接上電極（contact），N型電極不能接在下面，必須有兩個(gè)front contact，原因？6知識(shí)書(shū)苑制造過(guò)程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（電極）好處是什么7知識(shí)書(shū)苑不用犧牲一部分發(fā)光區(qū)域，SiC基板導(dǎo)電。有什么問(wèn)題8知識(shí)書(shū)苑早期紅黃光LEDGaP/AlGaInP/GaAs absorbing substrate：GaAs9知識(shí)書(shū)苑5-10um的薄膜20-50um光到下面后，會(huì)被金屬反彈回來(lái)VPE（Vaporous phase epitaxy) 氣相外延生長(zhǎng)10知識(shí)書(shū)苑N

5、one absorbing red yellow LED結(jié)構(gòu)，假設(shè)是GaP基板不加窗口層，直接把p-type contact electrode接在上面 產(chǎn)生問(wèn)題：接觸電極很薄，電流來(lái)不及散開(kāi)，直接向下流11知識(shí)書(shū)苑 電流不散開(kāi)，集中在金屬電極的下面，電流密度會(huì)非常高，致使光電轉(zhuǎn)換效率下降（經(jīng)驗(yàn)：物理曲線數(shù)值增大到一定程度，就會(huì)趨緩，達(dá)到飽和）。原因:可能是熱效應(yīng)，也可能是其它飽和效應(yīng)，使光電轉(zhuǎn)換效率開(kāi)始衰竭。因此，不希望在某個(gè)特定區(qū)域，電流密度太高。 如果電流無(wú)法散開(kāi)，過(guò)于集中在金屬電極區(qū)域，會(huì)使絕大部分的發(fā)光也集中在金屬電極區(qū)域下方，當(dāng)光打到金屬接觸區(qū)域時(shí)，會(huì)被擋住，使光線無(wú)法散開(kāi)。如何使

6、光能夠散開(kāi)？12知識(shí)書(shū)苑with window layer 加一層很厚的窗口層，其厚度是發(fā)光層厚度的十倍、甚至百倍。因?yàn)檫@一層很厚，電流有足夠的機(jī)會(huì)散開(kāi)。散開(kāi)之后的作用：1、使各點(diǎn)的電流密度降低，光電轉(zhuǎn)換效率就可以提高；2、使發(fā)光區(qū)域變大，被上面金屬擋住的區(qū)域所占比例就會(huì)減小，LED發(fā)光效率就會(huì)有較大提升。13知識(shí)書(shū)苑High Brightness Blue LEDs 藍(lán)寶石基板、低溫生長(zhǎng)緩沖層（累晶質(zhì)量不太好）、高品質(zhì)n-GaN、大bandgap材料、中間夾MQW結(jié)構(gòu)（InGaN是narrow bandgap區(qū)域，GaN是large bandgap區(qū)域，長(zhǎng)5-10個(gè)周期）、再長(zhǎng)large b

7、andgap p型層。 n-electrode要吃掉一部分累晶層區(qū)域，直到n型區(qū)域，將n型金屬接觸做在上面。14知識(shí)書(shū)苑15知識(shí)書(shū)苑此結(jié)構(gòu)遇到一個(gè)問(wèn)題：電流散不開(kāi)，怎么辦？電流都集中在p-contact下面，發(fā)出的光都在p-contact下面，是否可以加窗口層？16知識(shí)書(shū)苑 無(wú)法加很厚的窗口層。原因：藍(lán)寶石基板和GaN晶格不匹配，在1000度長(zhǎng)完晶后，降溫過(guò)程中，外延層開(kāi)始彎曲，因此，上面的累晶層不能長(zhǎng)太厚，事實(shí)上，其總厚度大約在5um以下，藍(lán)寶石的厚度在大約300-400um之間；如果累晶層厚度超過(guò)10或20um，冷卻后，彎到一定程度，累晶層就會(huì)裂開(kāi)，因此，無(wú)法長(zhǎng)很厚的GaN 窗口層，要解決

8、此問(wèn)題，必須想其他辦法。 p-contact下面長(zhǎng)一層特殊材料：會(huì)導(dǎo)電，又能透過(guò)可見(jiàn)光。2種可能選擇：A、仍然用金屬，只是把金屬變得很薄，但金屬變薄后，出現(xiàn)新問(wèn)題，其導(dǎo)電能力會(huì)迅速下降，電流散開(kāi)的能力會(huì)隨之降低。B、ITO（透明導(dǎo)電材料）17知識(shí)書(shū)苑High Brightness LEDs on CIE Chromaticity Diagram（RGBLED都包括）都包括）高亮度高亮度LED在色坐標(biāo)圖中的標(biāo)準(zhǔn)位置在色坐標(biāo)圖中的標(biāo)準(zhǔn)位置18知識(shí)書(shū)苑 R,G,B三色LED的光譜分布圖：紅光LED的半高寬，即波長(zhǎng)分布最窄；綠光LED半高寬較寬；藍(lán)光LED的半高寬介于二者之間。 因?yàn)椴皇呛芾硐氲膯我徊?/p>

9、長(zhǎng)的光，因此不會(huì)剛好落在色坐標(biāo)圖邊緣上。紅光的半高寬小，離邊緣近；綠光偏向中間，525、505、498nm，；另外，設(shè)計(jì)色坐標(biāo)時(shí)，綠光被刻意拉大也是一個(gè)原因；藍(lán)光也比較靠近邊緣。626,615,605,590.為p：最高強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。19知識(shí)書(shū)苑20知識(shí)書(shū)苑21知識(shí)書(shū)苑22知識(shí)書(shū)苑23知識(shí)書(shū)苑LED芯片介紹1 1、 LED芯片分類介紹2 2、 不同結(jié)構(gòu)不同結(jié)構(gòu)LED芯片的性能簡(jiǎn)介3 3、垂直結(jié)構(gòu)、垂直結(jié)構(gòu)LEDLED芯片的制成芯片的制成24知識(shí)書(shū)苑Led芯片的結(jié)構(gòu)LED芯片有兩種基本結(jié)構(gòu)，水平結(jié)構(gòu)（Lateral）和垂直結(jié)構(gòu)（Vertical）。橫向結(jié)構(gòu)LED芯片的兩個(gè)電極在LED芯片的同

10、一側(cè)，電流在n-和p-類型限制層中橫向流動(dòng)不等的距離。垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片的兩個(gè)電極分別在LED外延層的兩側(cè)，由于圖形化電極和全部的p-類型限制層作為第二電極，使得電流幾乎全部垂直流過(guò)LED外延層，極少橫向流動(dòng)的電流，可以改善平面結(jié)構(gòu)的電流分布問(wèn)題，提高發(fā)光效率，也可以解決P極的遮光問(wèn)題，提升LED的發(fā)光面積。 制造垂直結(jié)構(gòu)LED芯片技術(shù)主要有三種方法：一、采用碳化硅基板生長(zhǎng)GaN薄膜，優(yōu)點(diǎn)是在相同操作電流條件下， 光衰少、壽命長(zhǎng)，不足處是硅基板會(huì)吸光。 二、利用芯片黏合及剝離技術(shù)制造。優(yōu)點(diǎn)是光衰少、壽命長(zhǎng)，不足 處是須對(duì)LED表面進(jìn)行處理以提高發(fā)光效率。 三、是采用異質(zhì)基板如硅基板成長(zhǎng)氮化鎵

11、LED磊晶層，優(yōu)點(diǎn)是散熱 好、易加工。 25知識(shí)書(shū)苑目前主流Led結(jié)構(gòu)剖析26知識(shí)書(shū)苑兩種芯片發(fā)光形式27知識(shí)書(shū)苑水平型結(jié)構(gòu)Led出光路線28知識(shí)書(shū)苑垂直型芯片性能介紹 由于當(dāng)前芯片主要是垂直型的和水平型的兩種。 垂直型產(chǎn)品以CREE芯片為代表特點(diǎn)主要是： 光效高：最高可達(dá) 161 lmw，節(jié)能； 電壓低：藍(lán)光在2.93.3V； 熱阻?。盒酒旧淼臒嶙栊∮?1 C/W; 亮度高：由于采用垂直結(jié)構(gòu)，電流垂直流動(dòng)，電流密度均勻， 耐沖擊型強(qiáng)；同一尺寸芯片，發(fā)光面寬，亮度高。 光型好：85%以上光從正面發(fā)出，易封裝，好配光； 唯一的缺點(diǎn)就是：不方便集成封裝。若要集成封裝，芯片需 做特殊處理。 我公司

12、全部采用垂直結(jié)構(gòu)的芯片。29知識(shí)書(shū)苑水平型芯片性能介紹 水平型產(chǎn)品以普瑞芯片為代表，芯片的主要特點(diǎn)是： 光效一般：最高在 100 lmw左右； 電壓高：藍(lán)光在3.44V； 熱阻高：使用藍(lán)寶石襯底導(dǎo)熱性差。芯片本身的熱阻在 46 C/W; 亮度一般：由于采用水平結(jié)構(gòu)，電流橫向動(dòng)，電流密度不均，容易局 部燒壞；為彌補(bǔ)這一缺陷，在芯片的上表面做ITO.ITO將以 減少出光為代價(jià)。同一尺寸芯片，發(fā)光面窄，亮度低。 光利用率低：65%左右的光從正面發(fā)出，35%的光從側(cè)面發(fā)出，靠反射來(lái) 達(dá)到出光，利用率低。 唯一的優(yōu)點(diǎn)就是：便于集成封裝。不過(guò)，它也是缺點(diǎn)，由于沒(méi)解決好散 熱，所以集成封裝只有加速它的衰減，

13、不可取。 30知識(shí)書(shū)苑垂直芯片的制成31知識(shí)書(shū)苑垂直芯片剖析32知識(shí)書(shū)苑垂直LED制造的方法 制造垂直結(jié)構(gòu)LED芯片有兩種基本方法： 一、剝離生長(zhǎng)襯底； 二、不剝離生長(zhǎng)襯底 。 其中生長(zhǎng)在砷化鎵生長(zhǎng)襯底上的垂直結(jié)構(gòu)GaP基LED芯片有兩種結(jié)構(gòu)： 一、不剝離導(dǎo)電砷化鎵生長(zhǎng)襯底：在導(dǎo)電砷化鎵生長(zhǎng)襯底上層 迭導(dǎo)電DBR反射層，生長(zhǎng) GaP 基LED外延層在導(dǎo)電DBR反 射層上。 二、剝離砷化鎵生長(zhǎng)襯底：層迭反射層在GaP基LED外延層上， 鍵合導(dǎo)電支持襯底，剝離砷化鎵襯底。導(dǎo)電支持襯底包括， 砷化鎵襯底，磷化鎵襯底，硅襯底，金屬及合金等。 33知識(shí)書(shū)苑34知識(shí)書(shū)苑35知識(shí)書(shū)苑四元DBR材料36知識(shí)書(shū)

14、苑MQW LED器件結(jié)構(gòu)示意圖37知識(shí)書(shū)苑38知識(shí)書(shū)苑39知識(shí)書(shū)苑40知識(shí)書(shū)苑41知識(shí)書(shū)苑42知識(shí)書(shū)苑43知識(shí)書(shū)苑44知識(shí)書(shū)苑45知識(shí)書(shū)苑46知識(shí)書(shū)苑47知識(shí)書(shū)苑48知識(shí)書(shū)苑49知識(shí)書(shū)苑50知識(shí)書(shū)苑51知識(shí)書(shū)苑52知識(shí)書(shū)苑53知識(shí)書(shū)苑54知識(shí)書(shū)苑55知識(shí)書(shū)苑56知識(shí)書(shū)苑57知識(shí)書(shū)苑左：p-type large bandgap 材料右：n-type large bandgap 材料有源層：narrow badgap 材料，通常摻雜濃度很低 電子和空穴分別從左右兩端進(jìn)入有源層，其擴(kuò)散長(zhǎng)度會(huì)比有源層厚度（如0.22um）大很多，表示載流子會(huì)很均勻地分布在narrow bandgap 材料中； 由于電

15、中性的要求，因此額外的電子和空穴數(shù)應(yīng)該相等（n=p）：通常有源層摻雜濃度很低，相對(duì)而言，注入的載流子數(shù)目非常多，因此以上等式成立，58知識(shí)書(shū)苑59知識(shí)書(shū)苑 量子阱（QW）是指由2種不同的半導(dǎo)體材料相間排列形成的、具有明顯量子限制效應(yīng)的電子或空穴的勢(shì)阱。60知識(shí)書(shū)苑多量子阱結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)：1、在MQW結(jié)構(gòu)中，電子和空穴的波函數(shù)重疊較多，因此其輻射復(fù)合的效率較高；2、在DH結(jié)構(gòu)中， narrow bandgap材料形成的發(fā)光區(qū)不會(huì)長(zhǎng)得太窄，否則會(huì)使發(fā)光區(qū)域變小，影響發(fā)光效率；也不能長(zhǎng)得太寬，否則會(huì)超過(guò)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度，通常0.5-5um；如果中間的narrow bandgap材料和兩邊的large ban

16、dgap材料晶格不匹配，長(zhǎng)晶后，材料會(huì)產(chǎn)生很多缺陷，使發(fā)光效率下降； 用MQW結(jié)構(gòu)，中間narrow bandgap層可以做的很薄，晶格不匹配的影響很小，不會(huì)產(chǎn)生缺陷；如InGaN剛好發(fā)出藍(lán)、綠光，兩邊large bandgap材料用GaN，但它們之間的lattice constant 不匹配，可以使InGaN長(zhǎng)得很薄，兩邊材料長(zhǎng)得很厚，材料不會(huì)產(chǎn)生松弛、開(kāi)裂，但發(fā)光強(qiáng)度不夠，因此采用MQW結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)很多層。材料間晶格不匹配時(shí)，要考慮用MQW結(jié)構(gòu)。3、利用MQW結(jié)構(gòu)，可以使發(fā)出光子的能量有效增加。 當(dāng)形成QW結(jié)構(gòu)時(shí)，能量會(huì)被量子化，能夠有效提高載流子結(jié)合放出的能量。特別地，需要調(diào)節(jié)bandgap時(shí)，經(jīng)常使用Al，以實(shí)現(xiàn)所需色彩，但加Al后材料會(huì)趨近或變成間接帶隙，發(fā)光性能下降。 可以做成MQW結(jié)構(gòu)，利用調(diào)變MQW的寬窄，可以調(diào)節(jié)禁帶大小。61知識(shí)書(shū)苑4、MQW使有源層變薄，避免了內(nèi)部的自我吸收。 有源層產(chǎn)生的光子，在發(fā)出去之前，在有源層有可能被再吸收掉（發(fā)光區(qū)是narrowbandgap材料，而局域?qū)邮莑arge bandgap），不會(huì)被吸上去。有源層變薄后，可以減少光的吸收。5、MQW發(fā)光光譜和I-V特性不易受溫度影響，即元件特性對(duì)溫度不太敏感。62