LED發(fā)光原理與芯片制造課件

LED的發(fā)光原理與芯片製造報告者：……LED的發(fā)展，特別是芯片的發(fā)展LED芯片的結(jié)構(gòu)與發(fā)光原理LED芯片的制造過程LED的封裝與應(yīng)用未來的展望報告的主要內(nèi)容：發(fā)光二極管Light-EmittingDiode

是由數(shù)層很薄的摻雜半導(dǎo)體材料制成。當(dāng)通過正向電流時，n區(qū)電子獲得能量越過PN結(jié)的禁帶與p區(qū)的空穴復(fù)合以光的形式釋放出能量。

發(fā)光效率lm/w12.555發(fā)光二極管的發(fā)展年代發(fā)光顏色材料發(fā)光效率lm/w1965紅Ge0.11968橙、黃GaAsP11971綠GaP180年代紅AlGaAs1090年代初紅、黃GaAlInP10090年代藍、綠GaInN5090年代藍GaN200LED的發(fā)展，芯片的發(fā)展發(fā)光效率高，節(jié)省能源耗電量為同等亮度白熾燈的10%-20%，熒光燈的1/2。綠色環(huán)保冷光源，不易破碎，沒有電磁干擾，產(chǎn)生廢物少壽命長壽命可達10萬小時固體光源、體積小、重量輕、方向性好單個單元尺寸只有3~5mm響應(yīng)速度快，并可以耐各種惡劣條件低電壓、小電流LED的優(yōu)點發(fā)光二極體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相關(guān)廠商SubstrateLPEVPEMOVPE單晶材料--GaAs,GaP磊晶片--GaAs,AlGaAs,

GaAsP,AlGaInP製造設(shè)備--LPE,VPE,MOVPE日本:Nichia,ToyotaGosei（豐田合成）美國:Lumileds,Cree歐洲:Osram臺灣:晶元,元砷,廣鎵,華上…大陸:三安,聯(lián)創(chuàng),路明,..上游材料DiffusionPhotolithographyMetallizationDicing*發(fā)光二極體晶粒*光二極體晶粒*光電晶體晶粒中游製程晶粒Die-MountWire-BondEncapFinalTest下游封裝LEDLampSMDLEDChipLEDIRLEDBackLightLightSourceClusterLampClockDisplayDotMatrix7-SegmentNumericDisplayPhotocoupler產(chǎn)品光寶億光興華今臺佰鴻先益光鼎李洲立基琭旦華郎伊萊三永茂綸……

日本:Nichia,ToyotaGosei美國:Lumileds,Cree歐洲:Osram臺灣:晶元,光磊,元砷,廣鎵,華上,燦圓,…大陸:三安,聯(lián)創(chuàng),路明,..能源問題已成為當(dāng)今人類社會的熱門話題，節(jié)約能源與環(huán)保問題日趨提上議程。節(jié)能應(yīng)成為各國的城市照明建設(shè)需要考慮的重要問題之一，目前約有21%的電源用于照明，如果能在固體照明領(lǐng)域節(jié)省一半的能源，則會對人類的節(jié)約能源作出巨大的貢獻。20世紀(jì)中葉出現(xiàn)在市場上的第一批LED產(chǎn)品，經(jīng)過50多年的發(fā)展歷程，在技術(shù)上已經(jīng)取得了長足的進步?，F(xiàn)在，LED的平均發(fā)光效率已達到了70lm/W（流明/瓦特），其光強已達到了燭光級，輻射光的顏色形成了包含白光的多元化色彩，并且壽命可達到數(shù)萬小時。特別是在最近幾年，LED的產(chǎn)品質(zhì)量提高了近10倍，而制造成本已下降到早期的十分之一。這種趨勢還在進一步的發(fā)展之中，從而使LED成為信息光電子新興產(chǎn)業(yè)中極具影響力的新產(chǎn)品。世界各個國家均積極參與研發(fā)工作。光子與電子基本上具有三種交互方式：吸收，自發(fā)放射及激發(fā)放射。原子的兩能級E1和E2，E1代表基態(tài)，E2代表第一激發(fā)態(tài)。在E1基態(tài)的原子吸收光子后躍遷至激發(fā)態(tài)E2，此能態(tài)的改變?yōu)槲眨患ぐl(fā)態(tài)原子非常不穩(wěn)定，經(jīng)過很短的時間，不需任何外力下會跳回基態(tài)而釋放出光子，此程序為自發(fā)放射；當(dāng)光子照射在激發(fā)態(tài)原子上，該原子被激發(fā)躍回基態(tài)而放出與照射原子同相釋放光子，此程序稱為激發(fā)放射。LED芯片的發(fā)光原理LED在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有和半導(dǎo)體二極管相似的P區(qū)和N區(qū)，相交界面形成PN結(jié)。LED的電流大小是由加在二極管兩端的電壓大小來控制的。LED是利用正向偏置PN結(jié)中電子與空穴的輻射復(fù)合發(fā)光的，是自發(fā)輻射發(fā)光，發(fā)射的是非相干光。

P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP-GaAs光輸出雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖反型異質(zhì)結(jié)同型異質(zhì)結(jié)理論和實踐證明，光的峰值波長λ與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度Ｅg有關(guān)，即λ≈1240/Eg（mm）式中Eg的單位為電子伏特（eV）。若能產(chǎn)生可見光（波長在380nm紫光～780nm紅光），半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.26～1.63eV之間。比紅光波長長的光為紅外光?，F(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍光發(fā)光二極管。LEDPN結(jié)的電性質(zhì)發(fā)光材料由圖可知，這些材料的發(fā)光范圍由紅光到紫外線。照明領(lǐng)域使用的LED有兩大類，一類是磷化鋁、磷化鎵和磷化銦的合金（AlGaInP或AlInGaP），可以做成紅色、橙色和黃色的LED；另一類是氮化銦和氮化鎵的合金（InGaN）,可以做成綠色、藍色和白色的LED。發(fā)光材料大部分是Ⅲ-Ⅴ族。Ⅲ-Ⅴ族及Ⅱ-Ⅵ族元素的帶隙與晶格常數(shù)的關(guān)系圖（a）是直接帶隙材料，包括GaN-InN-AlN、GaAs、InP、InAs及GaAs等圖（b）是間接帶隙材料，包括Si、Ge、AlAs及AlSb等目前發(fā)光二極管用的都是直接帶隙的材料。(a)直接帶隙(b)間接帶隙BlueGreenYellowOrangeWhiteRedAmberW=White(GaN)(x=0.32/y=0.31)B=Blue(InGaN)470nmV=Verde-Green(InGaN)505nmT=TrueGreen(InGaN)525nmP=PureGreen(GaP)560nmG=Green(GaP:N)570nmY=Yellow(InGaAlP)587nmO=Orange(InGaAlP)605nmA=Amber(InGaAlP)615nmS=Super-Red(InGaAlP)630nmH=Hyper-Red(GaAlAs)645nms00,10,20,30,40,50,60,70,80,900,10,20,30,40,50,60,70,8bluegreenredyellowwhiteB=Blue(GaN)466nmW=White(InGaN)(x=0.32/y=0.31)Colourtriangle

CIE色度圖MQWLED結(jié)構(gòu)圖當(dāng)LED的發(fā)光區(qū)厚度d小于電子或者空穴之物質(zhì)波長l時，能帶開始不再是連續(xù)，而形成量化的能級，可提高電子和空穴結(jié)合機會，提高量子效率。而且能級量化，能隙變大，發(fā)光波長往短波長移動，發(fā)光時接近間接能隙而降低量子效率的困擾。

臺灣工研院光電所用ITO層制作的微電流散布層

厚的窗口層可以增加電流的均勻分布，但厚的窗口層不易制作而且價格昂貴。增加一層電流擴散層，可降低串聯(lián)電阻，使加于LED上的電流擴散開，提高發(fā)光效率。以前很多采用Ni/Au層的，現(xiàn)在主要使用ITO層。東芝公司用N局限層在P電接觸區(qū)減少不發(fā)光區(qū)電流的分布以增加效率一般電流局限層（CBL）都是間接做在P極下，CBL層很多用SiO2做成，其目的是使電流流不到在電接觸區(qū)下的量子阱區(qū)，防止只在電極附近發(fā)光。多方向高反射率反射鏡LED結(jié)構(gòu)多方向高反射率反射鏡的結(jié)構(gòu)全方向高反射率反光鏡LED（ODR:OmnidirectionalReflector）。同一窗口層厚度時，ODRLED的光取出效率比DBRLED要高很多。在金屬與半導(dǎo)體之間有SiO2加上許多小桿壯電接觸，全部約占1%截頂金字塔結(jié)構(gòu)LEDLED不同結(jié)構(gòu)不同的光取出HBLEDChipStructureofHBLEDSubstrate:

GaAs,GaP,Sapphire,SiC,MetalActiveLayer:

QWorDH(AlGaInPorInGaN)DBR(ASonly):

AlAs/AlGaAs,AlGaInP/AlInPCladding:AlGaInP,AlInP,AlGaNWindowLayer:

InxGaP,GaP,AlGaAs,ITO,TCL常用的襯底主要有藍寶石、碳化硅和硅襯底，還有GaAs、AlN、ZnO等材料。MOCVD通過控制溫度、壓力、反應(yīng)物濃度、Ⅲ族的有機金屬和Ⅴ族比例，從而控制鍍膜成分、晶相等品質(zhì)。MOCVD外延爐是制作LED外延片最常用的設(shè)備。利用熔合設(shè)備將蝕刻好的晶片放入該項設(shè)備，一段時間，使蒸鍍金屬層之間或蒸鍍金屬與磊晶片表層原子相互熔合，目的形成ohmic.contact.利用化學(xué)藥水，通常是酸性藥水，將發(fā)光區(qū)裸露的金屬層蝕刻掉。依晶片的晶粒晶格大小圖案，作第一次切割，目的是為方便往后的晶粒點測。如果晶片清洗不夠干凈，蒸鍍系統(tǒng)不正常，會導(dǎo)致蒸鍍出來的金屬層（指蝕刻后的電極）會有脫落，金屬層外觀變色，金泡等異常。蒸鍍過程中有時需用彈簧夾固定晶片，因此會產(chǎn)生夾痕。黃光作業(yè)中若顯影不完全及光罩有破洞會在發(fā)光區(qū)產(chǎn)生殘金殘鋁。化學(xué)作用中牽涉到濃度、時間、數(shù)量及反應(yīng)速率等參數(shù)，因此對晶粒電極外觀會有一致性的問題產(chǎn)生。例如有些電極腳會變細或消失。晶片在制程中，必須使用鑷子及花籃、載具等，因此會有晶粒電極刮傷情形發(fā)生。經(jīng)過測試后還進行二刀切割，可能會造成背面崩裂。LED的測量參數(shù)：評價LED要涉及到很多技術(shù)指標(biāo)（參數(shù)），其主要的技術(shù)指標(biāo)包括：輸入?yún)?shù)為電量的各項指標(biāo)，即電學(xué)指標(biāo)；主要有：正向電壓VF，正向電流VI，反向漏電流IR，工作時的耗散功率PD。在高頻電路中，還要考慮：結(jié)電容Cj和響應(yīng)時間。輸出參數(shù)為光學(xué)的指標(biāo)，也含光的強弱和波長等各項指標(biāo)；代表輸入與輸出之間電—光轉(zhuǎn)換效率的指標(biāo)；主要有：光功率效率η，流明效率。與LED器件性能有關(guān)的熱學(xué)指標(biāo)。主要有：熱阻Rth,儲存環(huán)境溫度與工作溫度。還有其他的如：防靜電指標(biāo)，失效率和壽命等。LED的封裝與應(yīng)用芯片制成以后，除了要對LED芯片的兩個電極進行焊接，從而引出正負電極外，同時還要對LED芯片和兩個電極進行保護，這就要求封裝工藝。對LED的封裝要實現(xiàn)輸入電信號、保護芯片正常工作、保證可見光的輸出，其中既有電參數(shù)又有光參數(shù)的設(shè)計及技術(shù)要求。常見的封裝方式，包括引腳式封裝、平面式封裝。比較有名的有：表面貼片二極管（SMD）和食人魚封裝技術(shù)。對大功率LED芯片封裝，要求更復(fù)雜。在各種新興的應(yīng)用領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)的帶動下，近些年LED市場規(guī)模得到了快速提升。LED的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從最初簡單的電器指示燈、LED顯示屏，發(fā)展到LED背光源、景觀照明、室內(nèi)裝飾燈、汽車照明等其他領(lǐng)域。由于LED具有壽命長、無污染、功耗低的特點，未來LED還將逐步取代熒光燈、白熾燈，成為下一代綠色照明光源。未來展望隨著市場需求的增多，LE