專題2 發(fā)光二極管(LED)物理基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)

1、專題一 發(fā)光二極管（LED）物理基礎(chǔ)與結(jié) 構(gòu) 380nm 430nm 490nm 505nm 515nm 535nm 585nm 600nm 630nm 780nm 一、可見光 n紅橙黃綠藍靛紫，為人眼可見之光， 是一般人類所能察覺光的波長，介 於380780nm之間。 n紫色光波以下的波長稱為紫外線， 大約介於100nm380nm。 n紅色光波以上的波長稱為紅外線， 大約介於780nm1mm。 二、LED的基本概念 nLED：Light Emitting Diode 譯為：發(fā)光 二極管 n定義：一種可以將電能轉(zhuǎn)化為光能的電 子器件具有二極管的特性。 n符號： n實物圖： 三、LED的發(fā)光原理

2、 nLED的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半 導(dǎo)體組成的晶片，在p型半導(dǎo)體和n型半 導(dǎo)體之間有一個過度層，稱為p-n結(jié)。 n1、專業(yè)描述 在正向電壓的作用下，PN結(jié)N區(qū)的電子向 正方面擴散，進入有源層，P區(qū)的空穴也向負(fù) 方向擴散進入有源層。進入有源層的電子和空 穴由于 異質(zhì)結(jié)勢壘的作用，而被封閉在有源層 內(nèi)，就形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，有源層內(nèi)反轉(zhuǎn) 分布的電子經(jīng)躍遷與空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射 光。 n2、簡單描述 電子由高能級躍遷到低能級，產(chǎn)生光子。 n3、一般描述 在施加正向電壓的情況下，PN結(jié)N區(qū)自由 電子向P區(qū)運動，而P區(qū)的空穴則向N區(qū)運動， 在有源層內(nèi)電子由導(dǎo)帶躍遷到價帶與空穴復(fù)合， 產(chǎn)生光子

3、，即電能轉(zhuǎn)化成了光能 LED發(fā)光機理示意圖 四、LED的發(fā)展歷史 視頻：視頻：LED照明的發(fā)展史照明的發(fā)展史 五、白光LED主流實現(xiàn)方式 InGaN藍光藍光LED chips + YAG:Ce3+黃色熒光粉黃色熒光粉白光白光 LED （來源：廈門通士達有限公司（來源：廈門通士達有限公司 2008年年4月）月） 白光LED的光譜圖 芯片數(shù) 激發(fā)源 發(fā)光材料 發(fā)光原理 1 藍色LED InGaN/YAG InGaN的藍光與YAG的黃光混合 成白光 藍色LED InGaN/熒光粉 InGaN的藍光激發(fā)的紅綠藍三基 色熒光粉發(fā)白光 藍色LED ZnSe 由薄膜層發(fā)出的藍光和在基板上 激發(fā)出的黃光混色成

4、白光 紫外LED InGaN/熒光粉 InGaN的紫外激發(fā)的紅綠藍三基 色熒光粉發(fā)白光 2 藍色LED 黃綠LED InGaN、GaP 將具有補色關(guān)系的兩種芯片封裝 在一起，構(gòu)成白色LED 3 藍色LED 綠色LED 紅色LED InGaN AlInGaP 將發(fā)三原色的三種小片封裝在一 起，構(gòu)成白色LED 多個 多種光色的LED InGaN、GaP AlInGaP 將遍布可見光區(qū)的多種光芯片封 裝在一起，構(gòu)成白色LED 圖 級聯(lián)型GaN基白光LED的 設(shè)計結(jié)構(gòu) 圖 級聯(lián)型GaN基白光LED的 電致發(fā)光光譜 直接發(fā)白光的 技術(shù) 常用的三種產(chǎn)生白光的方法：常用的三種產(chǎn)生白光的方法： 三種方法比較：

5、三種方法比較： 六、LED的結(jié)構(gòu)特征 n6.1 LED封裝結(jié)構(gòu)特征 n6.2 LED芯片結(jié)構(gòu)特征 晶片Dice R,G,B 金線Au wire 1.0&1.2mil 銀膠Ag epoxy 支架Leadframe 膠水Epoxy （環(huán)氧樹脂） 6.1.1 LED Lamp Structure（直插型） 補充專題：補充專題：LED Lamp封裝封裝 6.1.2 High power LED structure(大功率LED) Lumileds Packaging 大功率LED實物圖 GaN-LED芯片的基本結(jié)構(gòu) InGaN MQW active layer Sapphire substrate p

6、-electrode (Ni/Au) p-electrode (Ni/Au) p-GaN layer n-GaN layer GaN buffer layer n-electrode(Ti/Al) 6.2.1 LED芯片結(jié)構(gòu)特征 之 雙電極 藍光藍光LED芯片基本結(jié)構(gòu)芯片基本結(jié)構(gòu) 襯底層襯底層：一般為藍寶石或SiC，目前研究最熱的 是Si襯底。 n n型氮化鎵層型氮化鎵層：GaN的n型摻雜比較簡單，摻雜 源為IV族元素Si、Ge、Se等 發(fā)光層發(fā)光層：為p型或者n型含銦的氮化鎵，或非摻 雜的氮化銦鎵，可通過改變發(fā)光雜質(zhì)的種類來 改變禁帶寬度，從而改變發(fā)出光的波長。 p p型氮化鎵層：型氮化鎵層

7、：多數(shù)采用p型AlGaN，摻雜主要 是Mg 等II族元素 p p型接觸層型接觸層：一般采用p型GaN，使之與正電極 材料達到良好的歐姆接觸。 透明導(dǎo)電層：透明導(dǎo)電層：為了將電流有效地分散以達到均 勻發(fā)光，避免所發(fā)的光被p型金屬電極衰減。 芯片基本結(jié)構(gòu):Flip-chip 6.2.2 LED芯片結(jié)構(gòu)特征 之 倒裝結(jié)構(gòu) 芯片基本結(jié)構(gòu):SiC 垂直結(jié)構(gòu) 6.2.3 LED芯片結(jié)構(gòu)特征 之 單電極 Cu Heat Sinking Ag Reflector Transparent ohmic contact P-GaN InGaN/GaN MQW N-GaN ITO contact layer N-el

8、ectrode pad 芯片基本結(jié)構(gòu):金屬襯底、垂直結(jié)構(gòu) 6.2.3 LED芯片結(jié)構(gòu)特征 之 單電極 七、LED的產(chǎn)品分類 n按發(fā)光顏色分：可分成紅色、橙色、綠色（又細(xì)分黃綠、標(biāo)準(zhǔn)綠和純 綠）、藍光等。另外，有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。 n根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色 的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種 類型。 n按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安 裝用微型管等。 n圓形燈按直徑分為2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm及 20mm等。 n從發(fā)光強度角分布圖來分有三類： （1）高指向性

9、：半值角為520或更小。 （2）標(biāo)準(zhǔn)型：其半值角為2045。 （3）大角度。 n按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán) 氧封裝及玻璃封裝等結(jié)構(gòu)。 n按發(fā)光強度和工作電流分: 有普通亮度的LED（發(fā)光強度100mcd）； 把發(fā)光強度在10100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。 5系列舉例（圓形，子彈頭） 5.0*8.7mm圓形有帽沿圓形有帽沿子彈頭LED 5.0*8.7mm圓形有帽沿圓形有帽沿LED 食人魚系列 LED分類 數(shù)碼管 (Display) 大功率 (High Power Led) 貼片 (SMD) 食人魚 (P4) 普通LED (P2) LED分類分類 功率大小

10、：小功率、大功率、超大功率。 光波長：不可見光（紅外、紫外）、可見光。 封裝形式：插件式、貼片式、多晶封裝。 插件式插件式貼片式貼片式多晶封裝多晶封裝 小功率小功率 1W超大功率超大功率 10W 八、LED的產(chǎn)業(yè)鏈 nLED設(shè)備，原材料：MOCVD，激光劃片機，檢測設(shè)備 n上游：材料生長，結(jié)構(gòu)設(shè)計； 亮度，波長，正向電壓，可靠性； 外延片 n中游：芯片制備； 正向電壓，出光，可靠性； 芯片：0.3mm-1.5mm n下游：封裝； 出光效率，正向電壓，可靠性，散熱； LED lamp, SMT, high power，數(shù)碼管等 n應(yīng)用：燈具，工程； 出光效率，散熱，美學(xué)設(shè)計，建筑，文化等； 裝飾照明，路燈，LCD背光，車燈，太陽燈，普通照明，特種照明。 產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)業(yè)鏈上游上游中游中游下游下游 材料體系材料體系襯底等原材料襯底等原材料外延外延芯片芯片封裝封裝應(yīng)用應(yīng)用 AlGaInP 中科鎵英：GaAs 廈門三安、山東華光、 河北匯能、廣東福地、 廣東普光、北京圣科佳 佛山國星、 廈門華聯(lián)、 寧波升普、 深圳量子、 河北鑫谷、 江蘇穩(wěn)潤、 天津天星、 江蘇奧雷、 杭州創(chuàng)元、 福日科光 北京利亞德、 西安青松、 上海三思、