LED電子顯示技術(shù)

1、1ledled電子顯示技術(shù)電子顯示技術(shù)梁玉軍梁玉軍 博士23白光led的原理和應(yīng)用4白色led照明燈地磚燈禮品燈手電筒5360 led環(huán)形顯示器環(huán)形顯示器6360 led環(huán)形顯示器環(huán)形顯示器7發(fā)光二極管發(fā)光二極管(led)8發(fā)光二極管發(fā)光二極管(led)9發(fā)光二極管發(fā)光二極管(led)10 電壓：led使用低壓電源，供電電壓在6-24v之間，根據(jù)產(chǎn)品不同而異，所以它是一個(gè)比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。 效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80% 適用性：很小，每個(gè)單元led小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境 穩(wěn)定性：10萬小時(shí)，光衰為初

2、始的50% 響應(yīng)時(shí)間：其白熾燈的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級，led燈的響應(yīng)時(shí)間為納秒級 .發(fā)光二極管發(fā)光二極管(led)11 對環(huán)境污染：無有害金屬汞 顏色：改變電流可以變色，發(fā)光二極管方便地通過化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，實(shí)現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時(shí)為紅色的led，隨著電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬S色，最后為綠色 價(jià)格：led的價(jià)格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只led的價(jià)格就可以與一只白熾燈的價(jià)格相當(dāng)，而通常每組信號燈需由上300500只二極管構(gòu)成。發(fā)光二極管發(fā)光二極管(led)12發(fā)光二極管發(fā)光二極管(led)發(fā)光二極管及發(fā)光二極管顯示器發(fā)光二極管及發(fā)光二極管顯示器(led) le

3、d用材料及發(fā)光機(jī)制用材料及發(fā)光機(jī)制led的制作工藝的制作工藝各種各種led及其特性及其特性led顯示器的各種用途及發(fā)展前景顯示器的各種用途及發(fā)展前景l(fā)ed的其他應(yīng)用的其他應(yīng)用研究課題與展望研究課題與展望131.1發(fā)光二極管 發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（light emitting diode，led），顧名思義，是由半導(dǎo)體制作的二極管的一種。眾所周知，二極管具有整流作用，即在其兩極上施加電壓時(shí)，僅能單方向通過電流。所謂發(fā)光二極管是指當(dāng)在其整流方向施加電壓（稱為順方向）時(shí)，有電流注人，電子與空穴復(fù)合，其一部分能量變換為光并發(fā)射的二極管。 這種led由半導(dǎo)體制成，屬于固體元件,工作狀態(tài)穩(wěn)定、可靠性高，

4、其連續(xù)通電時(shí)間（壽命）可達(dá)105h以上。led元件與一般半導(dǎo)體元件一樣，也被稱為芯片（chip），其尺寸通常為數(shù)百微米見方，是很小的。led的發(fā)光顏色，與白熾燈等發(fā)出的白色光等不同，而是近于單色光，換句話說，其發(fā)光的光譜是很窄的。通過選擇半導(dǎo)體材料，目前生產(chǎn)的發(fā)光二極管可以發(fā)射紅外、紅、橙、黃、綠、藍(lán)等范圍相當(dāng)寬的各種各樣的顏色。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)14led的開發(fā)經(jīng)歷及今后展望的開發(fā)經(jīng)歷及今后展望 led的注人型發(fā)光現(xiàn)象是1907年h.j.round 在碳化硅晶體中發(fā)現(xiàn)的。1923年o.w.lossew在s的點(diǎn)接觸部位觀測到發(fā)光，從而使注人型發(fā)光現(xiàn)象得到進(jìn)一步確認(rèn)。1952年j.

5、r.haynes等在鍺，硅的pn結(jié)，以及1955年g.a.wolff在gap中相繼觀測到發(fā)光現(xiàn)象。一般認(rèn)為，至此為led的萌芽期發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)15 20世紀(jì)60年代可以說是基礎(chǔ)技術(shù)的確立時(shí)期。從1962年pankove觀察到gaas中pn結(jié)的發(fā)光開始，相繼發(fā)表關(guān)于gaas，gap，gaasp，znse等單晶生成技術(shù)、注人發(fā)光現(xiàn)象的大量論文，1968年gaasp紅色led燈投人市場，1969年r.h.saul等人發(fā)表gap紅色led的外部發(fā)光效率達(dá)7.2，從此實(shí)用化的研究開發(fā)加速展開 此后，在7080年代，由于基板單晶生長技術(shù)、pn結(jié)形成技術(shù)、元件制造、組裝自動(dòng)化等技術(shù)的迅速進(jìn)

6、步。近年來，采用高輝度紅色、綠色led的平面顯示元件已廣泛用于各種信息顯示板。對于最難實(shí)現(xiàn)的藍(lán)色led，采用了sic，數(shù)年前也達(dá)到了實(shí)用化，已有顯示燈產(chǎn)品供應(yīng)市場發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)162.1 晶體結(jié)構(gòu)及能帶結(jié)構(gòu) led的發(fā)光來源于電子與空穴發(fā)生復(fù)合時(shí)放出的能量。作為led用材料，一是要求電子與空穴的輸運(yùn)效率要高；二是要求電子與空穴復(fù)合時(shí)放出的能量應(yīng)與所需要的發(fā)光波長相對應(yīng)，一般多采用化合物半導(dǎo)體單晶材料。眾所周知，在半導(dǎo)體中，根據(jù)晶體中電子可能存在的能態(tài)有價(jià)帶、導(dǎo)帶、禁帶之分。來自半導(dǎo)體單晶的發(fā)光，是穿越這種材料固有禁帶的電子與價(jià)帶的空穴復(fù)合時(shí)所產(chǎn)生的現(xiàn)象。 發(fā)光二極管發(fā)光二極管

7、 (led)17 si、ge等iv族元素單晶半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)，屬于圖72（a）所示的金剛石結(jié)構(gòu)；gaas、gap、znse等化合物半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)，屬于圖72（b）所示的閃鋅礦結(jié)構(gòu)；gan具有如圖72（c）所示的纖鋅礦結(jié)構(gòu)，屬于六方點(diǎn)陣。 半導(dǎo)體元素，有大家所熟知的、位于周期表上第iv族的s、ge，它們作為半導(dǎo)體集成電路用材料，在現(xiàn)代電子工業(yè)中起著不可替代的作用。led用材料，有由iii族的al、ga、n與v族的n、p、as等兩種以上元素相結(jié)合而成的illv族，由ii族的zn與vi族的s、se相結(jié)合而成的iivi族，由si與c相結(jié)合而成的iviv族等化合物半導(dǎo)體。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led

8、)18發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)19 一般說來，能帶結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)關(guān)系很大，化合物半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)與金剛石型的能帶結(jié)構(gòu)相類似。表71給出各種半導(dǎo)體晶體的特性。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)20半導(dǎo)體材料晶體結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)禁帶寬度/ev (300k)點(diǎn)陣常數(shù)/si金剛石間接1.125.43ge金剛石間接0.665.66alp閃鋅礦間接2.455.46gap閃鋅礦間接2.245.45inp閃鋅礦直接1.354.87alas閃鋅礦間接2.135.66gaas閃鋅礦直接1.435.65gan纖鋅礦直接3.39a=3.18b=5.16znse閃鋅礦直接2.675.67sic()六方晶間接2.86a

9、=3.08b=15.12發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)21 為了制取發(fā)光效率高的led，在電子與空穴發(fā)生復(fù)合放出能量時(shí)，除了要考慮復(fù)合前后的能量之外，還應(yīng)保持動(dòng)量守恒。 可獲得最高發(fā)光效率的復(fù)合過程是電子與空穴的最初動(dòng)量相同，因復(fù)合而放出的能量全部變成光，而動(dòng)量卻不發(fā)生變化，這種情況如圖7-3(a)所示。其能帶結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是，在價(jià)帶頂與導(dǎo)帶底不存在動(dòng)量差，這種半導(dǎo)體發(fā)生的復(fù)合稱為直接躍遷型。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)22發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)23發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)24發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)25發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)26發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (l

10、ed)272.2 發(fā)光機(jī)制及發(fā)光波長發(fā)光機(jī)制及發(fā)光波長 led的發(fā)光源于電子與空穴的復(fù)合，其發(fā)光波長是由復(fù)合前空穴和電子的能量差決定的。對于直接躍遷型材料，晶體發(fā)光的波長決定于禁帶寬度eg，發(fā)光波長可由關(guān)系式=1240/eg求出。為了得到可見光，eg必須在1.6ev以上。 如圖7-3所示在能帶結(jié)構(gòu)中，由于導(dǎo)帶、價(jià)帶都為拋物線形狀，因此發(fā)光譜兩端都會(huì)有不同程度的加寬現(xiàn)象，其半高寬一般為3050nm。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)28 紅外led中一般使用直接遷移型材料，如gaas，gaalas，ingaasp等。但也有用摻雜si的gaas制作的led，通過在比價(jià)帶高的能量位置形成的所謂受主能級

11、與導(dǎo)帶的電子發(fā)生復(fù)合的機(jī)制，其發(fā)光波長為940nm，比gaas禁帶寬度對應(yīng)的發(fā)光波長880nm更長些。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)29 紅色紅色led的中心材料的中心材料是以 zn-o對作為發(fā)光中心的 gap，zn-o對在其中起等電子捕集器的作用。gap為間接躍遷型，在其中導(dǎo)入雜質(zhì)zn-o對作為發(fā)光中心，已實(shí)現(xiàn)較高效率的紅色 led，發(fā)光波長為 700nm，晶體不發(fā)生自吸收現(xiàn)象，可以在低電流密度下獲得高輝度。 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)30在橙色在橙色、黃色、黃色led中中，使用的是以n為等電子捕集器的gaasp；在在綠色綠色led中中，使用的是摻雜有高濃度n的間接遷移型gap。而且

12、，在純綠色led中，正在使用不摻入雜質(zhì)的gap。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)31 藍(lán)色藍(lán)色led需要采用禁帶寬度大的材料需要采用禁帶寬度大的材料已經(jīng)在研究開發(fā)的有sic，gan，znse，zns等。sic是容易形成p-n結(jié)的材料，屬于間接躍遷型，依靠摻入雜質(zhì)al和n能級間的躍遷產(chǎn)生發(fā)光。gan，znse，zns為直接躍遷型，可獲得高輝度發(fā)光。這些材料的研究開發(fā)近年來獲得重大突破，高輝度藍(lán)色 led正在達(dá)到實(shí)用化。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)322.3 電流注入與發(fā)光電流注入與發(fā)光 實(shí)際led的基本結(jié)構(gòu)要有一個(gè)p-n結(jié)。當(dāng)在p-n結(jié)上施加順向電壓，即p型接正，n型接負(fù)的電壓，會(huì)使能壘降低

13、，從而使穿越能壘的電子向p型區(qū)擴(kuò)散，使穿越能壘的空穴向n型區(qū)擴(kuò)散的量增加。通常稱此為少數(shù)載流子注入，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子發(fā)生復(fù)合從而放出光。隨電壓增加，達(dá)到一定值，電流急劇增加，光發(fā)射開始。電流開始增加時(shí)對應(yīng)的電壓相應(yīng)于p-n結(jié)勢壘的高度，稱該電壓為起始電壓起始電壓，起始電壓隨led材料及元件的結(jié)構(gòu)不同而不同，gaas為1.01.2v，gaaias為1.51.7v，gap為1.8v，sic為2.5v等等。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)332.4 發(fā)光效率、光輸出及亮度發(fā)光效率、光輸出及亮度 注入led的載流子變換為光子的比率稱為內(nèi)部內(nèi)部量子效率量子效率；而射出晶體之外的光子與注入載流

14、子之比稱為外部量子效率外部量子效率。由于在p-n結(jié)附近發(fā)生的光會(huì)受到晶體內(nèi)部的吸收以及反射而減少，一般說來，外部量子效率要低于內(nèi)部量子效率。市售 led產(chǎn)品的外部量子效率，紅色的大約為 15，從黃色到綠色的則在 0.3l范圍內(nèi)，藍(lán)色的大約為3。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)34 led的發(fā)光效率與其能量收支相關(guān)，其數(shù)值可表示為載流子向p-n結(jié)的注入效率、載流子變?yōu)楣獾淖儞Q效率、產(chǎn)生的光到達(dá)晶體外部的光取出效率三者的乘積。為獲得較高的發(fā)光效率，一般要采取各種措施，例如在結(jié)構(gòu)上采取讓光通過一般說來吸收率較小的n型半導(dǎo)體，為防止由于晶體表面反射造成的損失，在晶體表面涂覆高折射率的薄膜等等。發(fā)光二極

15、管發(fā)光二極管 (led)35 對于顯示用可見光led來說，不僅僅是要求光輸出要大，重要的是與視感度相關(guān)的發(fā)光效率。人眼的視感度對555nm的綠色出現(xiàn)峰值，而后急速下降。光輸出中與視感度相關(guān)的部分稱為光度，光度是顯示用可見光led的輝度指標(biāo)。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)362.5 變頻特性變頻特性 在led中，由容抗及電阻決定的時(shí)間常數(shù)非常小，因此其調(diào)頻速度決定于載流子的壽命，而后者與載流子注人之后，經(jīng)過復(fù)合，再到載流子消失所用的時(shí)間相對應(yīng)。也就是說，隨著注人電流的變化加速，載流子密度逐漸不能追隨注人電流的變化，響應(yīng)速度變慢，發(fā)光強(qiáng)度慢慢下降。與低周波變頻時(shí)相比，當(dāng)高周波變頻時(shí)的發(fā)光強(qiáng)度降低

16、1.5db時(shí)的周波數(shù)稱為截止周波數(shù)fc，并由下式表示fc=1/(2)發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)37 在 led中，發(fā)光強(qiáng)度與截止周波數(shù)通常按折衷（(trade-off)關(guān)系處理。載流子壽命長，發(fā)光延續(xù)的時(shí)間亦長，從而發(fā)光強(qiáng)度高，但同時(shí)截止周波數(shù)變低。通過在活性區(qū)高濃度摻雜雜質(zhì)，因存在晶體缺陷及俄歇效應(yīng)等，非發(fā)光復(fù)合的比例增加，從而可使載流子壽命變短。在要求高速響應(yīng)的光通訊用紅外led中，截止周波數(shù)從數(shù)十兆赫到 100mhz以上；另一方面，在高輝度可見光 led中，截止周波數(shù)大致在imhz上下。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)382.6 led與激光二極管與激光二極管 如果說led是由向p

17、-n結(jié)注人電流的載流子復(fù)合時(shí)載流子復(fù)合時(shí)放出光放出光（自然發(fā)射光）并向外取出的元件，激光二極激光二極管（管（ld）則進(jìn)一步是通過所設(shè)置的光波導(dǎo)及共振器等，將放出光的一部分返回，并利用誘導(dǎo)放出，使光的強(qiáng)度升高的發(fā)光振器。所謂誘導(dǎo)放出，是通過光對活性區(qū)大量存在的電子與空穴狀態(tài)多次激發(fā)，使其發(fā)生復(fù)合，放出光，而放出光的位相與此時(shí)輸人光的位相相同，因此光的強(qiáng)度增強(qiáng)。 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)39 圖7-7表示ld的基本構(gòu)造及其能帶結(jié)構(gòu)。在薄的活性層兩側(cè)，用禁帶寬度比活性層的禁帶寬度更寬的半導(dǎo)體形成pn結(jié)。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)403.1 單晶制作技術(shù) 利用水平布里奇曼（bridgma

18、n）法（又稱為hb法或舟皿生長法）及液體保護(hù)旋轉(zhuǎn)提拉法（又稱為液體保護(hù)切克勞斯基（czochralski）法或lec法）可以制備這種塊狀單晶，這兩種方法都屬于可以獲得大型基板單晶體的熔液生長法。 gap單晶可由圖7-8所示的lec法單晶拉制裝置來制造。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)41發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)42gsas單晶由控制溫差的單晶由控制溫差的hb法制作法制作發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)43 對于其他材料來說，正在進(jìn)行制作的有外延三元混晶（gaasp，ingap，ingaas等）用的基板單晶，如 ingaas（lec法）及 ingap（蒸汽壓控制法），ii-vi族化合物單

19、晶如 znse（布里奇曼法、seeded physical vapor transport法、帶籽晶的物理氣相輸運(yùn)法）、zns（碘輸運(yùn)法）、sic（升華法）等 關(guān)于單晶生長，今后的研究課題是，減少雜質(zhì)、提高組成及雜質(zhì)分布的均勻性，減少缺陷及位錯(cuò)密度。因此，生長過程的計(jì)算機(jī)模擬及生長中的監(jiān)控越來越重要。目前正在研究開發(fā)的有通過裝有籽晶的超聲波傳感器，對生長中晶體的結(jié)晶生長進(jìn)行監(jiān)控的方法，通過x射線透視裝置進(jìn)行監(jiān)控的方法等。而且，單晶的分析評價(jià)技術(shù)對于單晶體的制作來說是必不可少的。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)443.2 外延技術(shù)外延技術(shù) 液相外延（液相外延（liquid phase epita

20、xy，lpe）法）法從原理上說是溶液冷卻法，即利用溶解度相對于溫度的變化，通過飽和溶液的冷卻，使過飽和的溶質(zhì)部分在基板表面析出的方法。在lpe法中，利用源的烘烤，可以獲得高純度的優(yōu)良單晶，而且生長速率大，現(xiàn)已用于gap，gaas，inp系的led的批量化生產(chǎn)。紅、綠色led用的gap，紅色led用的gaaias，紅外led用的gaas，長波長led用的ingaasp都是通過lpe法制作的。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)45發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)46發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)47 氣相外延（氣相外延（vapor phase epitaxy，vpe）法，）法，如圖 711所示，是

21、使iii族金屬源氣體與v族鹵化物或氫化物通過開管式反應(yīng)而進(jìn)行的氣相生長法，適合批量生產(chǎn)，目前紅、橙、黃色led用的gaasp就是用這種方法制作的。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)48發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)49 分子束外延（分子束外延（molecular beam epitaxy，mbe）法，）法，如圖 712所示，是使 pbn小孔坩堝中的固體加熱氣化，得到的分子束射向加熱到一定溫度的基板單晶上進(jìn)行單晶生長的方法。其特點(diǎn)是組成、膜厚的可控制性及均勻性都很好發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)50發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)51 有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積（有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積（metalor

22、ganic chemical vapor deposition，mocvd）法）法，對于ill-v族化合物來說，是以ill族金屬的烷基金屬化合物為原料，v族元素以氫化物為原料的氣相生長法；以h2為載帶氣體，在常壓或減壓的氣氛中，在加熱到一定溫度的基板單晶上，在保持v族元素過剩的條件下，使氣相原料之間發(fā)生反應(yīng)的單晶生長法。其裝置示意見圖 7-13。其特點(diǎn)與mbe相似，組成、膜厚的可控制性及均勻性都很好，是適于批量生產(chǎn)的單晶生長法。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)52發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)533.3 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 向化合物半導(dǎo)體單晶中摻雜雜質(zhì)有各種不同的方法。在lpe法中，通過向熔液

23、中添加各種雜質(zhì)，即可獲得具有所要求的電導(dǎo)率、特定載流于濃度的單晶體。在vpe、mbe、mocvd方法中，或者使固態(tài)的雜質(zhì)蒸發(fā)，或者添加含有雜質(zhì)的氣態(tài)化合物，以獲得所要求的電導(dǎo)率及載流子濃度等。摻人雜質(zhì)的量可以獨(dú)立控制，重復(fù)性、可控制性都較好。 擴(kuò)散摻雜仍然是最重要的摻雜方法之一。擴(kuò)散摻雜法分閉管式（真空閉管式）和開管式兩種，后者操作簡單，適合于大直徑晶片及批量化生產(chǎn)。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)54發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)55 近年來，出現(xiàn)一些新的擴(kuò)散方法，例如通過zn及s的離子注人層以及電子束（electron beam，eb）蒸鍍的si層，利用快速燈退火進(jìn)行摻雜，但由于易產(chǎn)生晶

24、體缺陷及結(jié)淺等原因，不適于led的制作。選擇擴(kuò)散用掩模一般用sio2及sinx等，但由于它們與gaas的熱膨脹系數(shù)不同容易造成應(yīng)變等，在與掩模的界面處，會(huì)產(chǎn)生由擴(kuò)散引起的所謂“鳥嘴”現(xiàn)象。為了防止其發(fā)生，可用si作擴(kuò)散掩模，而在進(jìn)行si的擴(kuò)散時(shí)，可以用si膜作擴(kuò)散源。 今后的課題是提高摻雜的均勻性以及采用無掩模的選擇摻雜技術(shù)等發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)563.4 元件制作及組裝技術(shù)元件制作及組裝技術(shù) led的制作分前道（外延）、中道（芯片）、后道（封裝）技術(shù)。具體說來，包括下述工序：由單晶生長及擴(kuò)散制作由單晶生長及擴(kuò)散制作 p-n結(jié)結(jié)形成電極；形成電極；解理或劃片，將晶片分割成一個(gè)個(gè)的芯

25、片；解理或劃片，將晶片分割成一個(gè)個(gè)的芯片；包覆保護(hù)膜；包覆保護(hù)膜；對芯片檢測分級；對芯片檢測分級；將芯片固定于引線框架中；將芯片固定于引線框架中；引線鍵合；引線鍵合；樹脂封裝；樹脂封裝；檢查并完成成品。檢查并完成成品。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)57 對對led的檢查項(xiàng)目包括的檢查項(xiàng)目包括：vi特性，cv特性，電流輝度（功率）特性，發(fā)光峰波長，發(fā)光譜半高寬，響應(yīng)速度，發(fā)光效率，溫度特性，角度特性，壽命等；此外還有電流、電壓、溫度的最高允許值等。對光通訊應(yīng)用來說，需要測定光輸出，截止周波數(shù)，在光纖端的輸出，耦合損失，指向特性，靜電破壞特性等。在上述的led組裝、檢查工藝中，還需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化以

26、提高效率、降低價(jià)格。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)58 在led領(lǐng)域，最近十余年間，在單晶生長方法、新材料等的研究方面獲得了十分突出的進(jìn)展 最常見的紅光紅光led，十余年間其光度得到飛躍性的提高。其原因是由于采用了由直接躍遷型化合物半導(dǎo)體gaaias構(gòu)成的雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，目前已出現(xiàn)軸上光度超過3000mcd（20ma）的制品。 在橙、黃色橙、黃色led中中，采用紅色led所用的材料gaasp，使其發(fā)光波長縮短，再加上近年來新開發(fā)的ingaalp混晶材料，實(shí)現(xiàn)了高輝度led。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)59 在led領(lǐng)域，難度最大的當(dāng)數(shù)藍(lán)色難度最大的當(dāng)數(shù)藍(lán)色led。研究人員針對sic、gan

27、、znse、zns等材料已經(jīng)進(jìn)行過多年的研究開發(fā)。但是，對于這些材料來說，由于存在難以實(shí)現(xiàn)的問題，例如難以實(shí)現(xiàn)p型單晶，不能得到大塊的基板單晶，不容易做成具有優(yōu)良結(jié)晶性的p-n結(jié)等一系列問題，很難制作與其他顏色led的亮度相匹配的藍(lán)色led元件，自然也就談不上批量生產(chǎn)。但是在最近數(shù)年間，在各種各樣的材料方面都獲得十分顯著的技術(shù)進(jìn)步，已經(jīng)生產(chǎn)出亮度可與高輝度紅色led相匹敵的藍(lán)色led制品。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)604.1 gap：zno紅色紅色led gap紅色紅色led于1970年前后開始工業(yè)化生產(chǎn)，為led的主要產(chǎn)品類型?，F(xiàn)在的可見光led燈中，利用gap材料的占相當(dāng)大的比例。基

28、板單晶為gap，通過lpe法形成發(fā)光用的p-n結(jié)。在這種led中，發(fā)光機(jī)制是基于間接躍遷型半導(dǎo)體中等電子捕集器雜質(zhì)中心的發(fā)光，以zn-o最近鄰對作為發(fā)光中心，可以獲得實(shí)用的發(fā)光效率（批量生產(chǎn)時(shí)5，最高達(dá)15）。這種led在高電流密度區(qū)域，發(fā)生效率達(dá)到極限值，因此多數(shù)在低電流下使用。其顯示元件彩色鮮明，靈巧輕便，多用于室內(nèi)的各種機(jī)器設(shè)備中。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)614.2 gap：n綠色綠色led 綠色led的發(fā)光效率近年來也獲得顯著提高。綠色led的材料與上述的摻zno的紅色led的材料相同，也是gap，即在gap基板單晶上用lpe法形成發(fā)光用的p-n結(jié)。一般市售綠色led按其發(fā)光峰

29、值波長的大小可分為二大類，一類是為了提高發(fā)光效率，在生長層中添加與p屬于同族的氮（n）作為等電子捕集器，這種led的發(fā)光峰值波長為565nrn，為略帶黃色的綠色，盡管發(fā)光效率較低，一般為0.30.7，但相對視感度比紅色高10倍以上，顯得非常明亮。其軸上光度一般在 500mcd（20ma）以上，也可用于室外顯示器。另一類為純綠色 led，在制作過程中不添加氮，其發(fā)光峰值波長為555nm。發(fā)光效率比前一類要低，但也可以制作出發(fā)光效率高于0.1的制品，其軸上光度可以達(dá)到200mcd（20ma）較高的值。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)624.3 gaasp系紅色系紅色led 在在gaasp系單晶體中

30、，隨著系單晶體中，隨著gaas1-xpx的成份比的成份比x的變化，可的變化，可以獲得從紅外（以獲得從紅外（x=0）到綠色（）到綠色（x=1）的發(fā)光。）的發(fā)光。先在單晶基板上通過vpe法生長n型gaasp，而后經(jīng)擴(kuò)散zn，形成發(fā)光用的p-n結(jié)。當(dāng)基板單晶采用gap時(shí)，由p-n結(jié)（x=0.55的gaas1-xpx單晶）發(fā)出的峰值波長為650nrn的光受基板單晶的吸收少，從而可提高led的發(fā)光效率，其發(fā)光效率在批量生產(chǎn)的情況為0.2，而最高可達(dá)0.5。 對于gaasp以及gap紅色led來說，隨著gap基板單晶生長技術(shù)的完善，發(fā)光層結(jié)晶性的提高以及摻雜技術(shù)的改進(jìn)，其發(fā)光效率不斷提高，輝度年年都有改進(jìn)

31、。隨著批量生產(chǎn)技術(shù)的不斷完善，上述兩種紅色led的價(jià)格都降到較低的水平。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)634.4 gaasp系橙色、黃色系橙色、黃色led 采用gaasp的橙色黃色led，其基板單晶為gap，利用vpe法形成發(fā)光用的p-n結(jié)。當(dāng)gaas1-xpx的組成比x與紅色led的相比逐漸變大時(shí)，發(fā)光波長會(huì)向短波長方向轉(zhuǎn)變。與此相伴，為了改善其能帶結(jié)構(gòu)為間接遷移型的缺點(diǎn)，摻入 1018m-3的氮作為等電子捕集器發(fā)光中心，以提高其發(fā)光效率。x值為 0.65及0.75時(shí)，分別對應(yīng)發(fā)光峰值波長為630nrn及610nrn的橙色led，其發(fā)光效率大致在0.30.6。隨著x的進(jìn)一步增加，對應(yīng)發(fā)光峰

32、值波長為590nrn（x=0.85）及583nrn（x-0.90）的黃色led，但其發(fā)光效率減小到0.10.2左右。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)644.5 gaalas系系led ga1-xaixas led為發(fā)光峰值波長為為發(fā)光峰值波長為 660nm的紅色的紅色led，它是為了克服前述的gap及gaasp紅色led因達(dá)到飽和，輝度難以提高的缺點(diǎn)而開發(fā)的。如圖如圖7-15所示，所示，在x0.35（直接遷移型）的范圍內(nèi)，隨著改變ai與as的組成比，ga1-xaixas的發(fā)光峰值波長可從640nm到900nm的范圍內(nèi)變化。外延生長采用通常的lpe法，由于與gaas基板單晶的晶格匹配性好，生長層

33、的晶體缺陷少。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)65 為了改善發(fā)光效率，在al的組分高、帶隙寬的gaaias中，采用了光取出效率較高的單異質(zhì)結(jié)（sh）結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上還進(jìn)一步開發(fā)了將發(fā)光層夾于其間，將載流子封閉于發(fā)光層之內(nèi)的雙異質(zhì)結(jié)（dh）結(jié)構(gòu)。對基板單晶也采取了措施，例如不采用gaas，而是采用對于發(fā)光峰值波長（660nm）透明的gaaias等，以提高光的取出效率。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)66 由于采取了上述一系列措施，發(fā)光效率獲得驚人的提高，以批量生產(chǎn)的外部量子效率（發(fā)光效率）為例，采用sh結(jié)構(gòu)的可達(dá)3（軸上光度500mcd，20ma），采用dh結(jié)構(gòu)的可達(dá)15（軸上輝度3000mcd

34、，20ma）。因此，其應(yīng)用領(lǐng)域正在向汽車用的高亮度后制動(dòng)信號燈及道路狀況顯示板、廣告牌等室外用的各種顯示器擴(kuò)展。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)67發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)684.6 ingaalp系橙色、黃色系橙色、黃色led ingaaip是近年來達(dá)到實(shí)用化的混晶材料，具有直接躍遷型能帶結(jié)構(gòu)。利用這種材料可以提高橙黃色led的輝度。特別是，由inp與ga1-xaixp構(gòu)成的in0.5(ga1-xaix)0.5p混晶，與gaas基板單晶的晶格匹配，混晶比x從0到0.6前后（對應(yīng)的發(fā)光波長從660nrn到555nm）為直接遷移型，因此可期望制作出從紅色到綠色范圍相當(dāng)寬的高發(fā)光效率led

35、。 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)69 采用上述ingaaip已開發(fā)出高輝度（光度1000mcd以上）橙色（約 620nm）led。晶體生長采用減壓 mocvd，并形成雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，為了提高內(nèi)部發(fā)光效率，需要采用最佳雜質(zhì)濃度及平面度、平整度要求嚴(yán)格的基板單晶。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)70 圖圖7-16為為ingaaip橙色橙色led元件的斷面結(jié)構(gòu)元件的斷面結(jié)構(gòu)，圖7-17表示其發(fā)光光譜。對于黃色led（波長590nm）來說，在研究階段就已經(jīng)達(dá)到與橙色led相同程度的光度（1000mcd） 特別是最近，在采用光阻斷基板的同時(shí)，通過在元件內(nèi)部形成電流擴(kuò)散層及黑色反射層等，已開發(fā)出發(fā)

36、光峰值波長566nrn，光度800mcd的黃綠色led。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)71發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)724.7 gan系藍(lán)色系藍(lán)色led gan具有直接躍遷型能帶結(jié)構(gòu)，從發(fā)光效率來說占有優(yōu)勢，但是存在難以獲得大塊基板單晶、很難制作p型單晶等問題。為此，采用vpe法，在藍(lán)寶石基板單晶上生長n型gan，在其單晶生長面上通過擴(kuò)散zn形成i層，由此得到了具有mis結(jié)構(gòu)的藍(lán)色led，其發(fā)光效率為0.03，當(dāng)電流為10ma時(shí)軸上光度達(dá)到10mcd。但是存在重復(fù)性很差等不少問題，為了實(shí)現(xiàn)高輝度需要提高材料的結(jié)晶性以及降低工作電壓等，必須采取新的單晶生長方法來制造。發(fā)光二極管發(fā)光二極管

37、 (led)73 為此，采用movpe法在藍(lán)寶石基板單晶上以低溫沉積的氮化鋁（ain）為緩沖層，進(jìn)行g(shù)an的生長，獲得了質(zhì)量比較高的單晶體。有人進(jìn)一步通過電子束照射處理，證明此法對受主雜質(zhì)的活性化十分有效，并且首先制成了顯示p型電導(dǎo)性的gan單晶體。這種單晶體是將摻雜有鎂（mg）的高電阻率gan（gan：mg）經(jīng)電子束照射，使其電氣特性發(fā)生變化，由此獲得電阻率大致為數(shù)十歐厘米的p型單晶。這種gan層的p型化，通過熱退火處理也可以實(shí)現(xiàn)，而且用gan代替aln作緩沖層，可以獲得更高載流子濃度的p型層。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)74 基于上述技術(shù)，最近gan系藍(lán)色led的特性得到明顯提高。據(jù)報(bào)

38、道，由于在發(fā)光層中采用了由ingan構(gòu)成的dh結(jié)構(gòu)，在發(fā)光波長450nrn的藍(lán)色led中，光度已達(dá)到2500mcd；在發(fā)光波長500nm的藍(lán)綠色led中，光度已達(dá)2000mcd。上述數(shù)據(jù)已與目前采用gaaias的高輝度紅色led的亮度不相上下，而比市售綠色led的亮度還要高，實(shí)現(xiàn)了人們多年來一直追求的目標(biāo)。圖7-18給出具有 inganaigan雙異質(zhì)結(jié)（dh）結(jié)構(gòu)的藍(lán)色led的示意圖。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)75發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)764.8 sic藍(lán)色藍(lán)色led 在最早投入市場的藍(lán)色led中用的材料就是sic，與其他材料不同的是，sic比較容易獲得p型單晶。sic藍(lán)色l

39、ed的發(fā)光輝度，與紅色、綠色led等相比，還略遜一籌，但隨著單晶生長技術(shù)的改進(jìn)，其發(fā)光效率正在逐步提高。 在led的制作中，基板單晶采用6h型的sic，利用lpe法或vpe法制作p-n結(jié)。 最近，通過采用sic基板單晶，在1700上下形成p-n結(jié)，以提高材料的結(jié)晶性，在精確控制的條件下，利用氮施主和al受主形成d-a對發(fā)光中心，在可靠性提高的同時(shí)，其發(fā)光效率獲得飛躍性的提高，輝度已達(dá)到30mcd（20ma）。這種sic led的制作工序如圖7-19所示。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)77 關(guān)于sic大型基板單晶的生長，一般采用真空升華法，需要2300oc的高溫，以多晶sic為原料并置于高溫端

40、，而在低溫端設(shè)sic籽晶，可以長成高20mm的sic單晶。采用這種方法還能獲得具有n型或p型電導(dǎo)性的單晶體。據(jù)報(bào)道，已有長成直徑34mm，高14mm的n型sic單晶。顯然，基板單晶生長技術(shù)的進(jìn)展對于促進(jìn)sic藍(lán)色led的批量化生產(chǎn)是極為重要的。 從目前的發(fā)展趨勢看，sic藍(lán)色led今后在提高發(fā)光效率、改善工藝、降低價(jià)格等方面會(huì)出現(xiàn)快速的發(fā)展。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)78發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)794.9 ii-vi族藍(lán)色族藍(lán)色led 在ii-vi族化合物中，znse、zns室溫下的能隙寬度分別為2.7ev和 3.7ev，而且為直接遷移型半導(dǎo)體材料，極有希望用于高發(fā)光效率的藍(lán)色l

41、ed，而且近年來已獲得十分顯著的進(jìn)步。晶體生長方法以mbe和mocvd為主，由于屬于低溫生長而且可保持原料的純度，從而能獲得優(yōu)質(zhì)的單晶體，而且，雜質(zhì)的摻雜可精確控制。上述因素為其在led中的應(yīng)用創(chuàng)造了很好的條件。 目前，ii-vi族化合物半導(dǎo)體led的制作尚處于研究開發(fā)階段，但有報(bào)告指出，采用znse基板的試制品具有相當(dāng)高的發(fā)光效率。為了使采用ii-vi族半導(dǎo)體材料的短波長發(fā)光器件達(dá)到實(shí)用化，還有不少問題需要解決，如與p型層間歐姆電極的制作，提高器件的可靠性，降低價(jià)格等，都需要進(jìn)一步研究開發(fā)。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)804.10 全彩色全彩色led 目前，由全彩色led構(gòu)成的大屏幕顯示

42、器正在試制中，一般是由sic 或gan等藍(lán)色led與由其他材料構(gòu)成的紅、綠色led相組合，構(gòu)成混合型全彩色led泡。最近各國都在采用前述的高發(fā)光效率的sic藍(lán)色led，gap紅色及綠色led，并做成led泡，制成包括純白色發(fā)光在內(nèi)的可以多色發(fā)光的全彩色led。圖7-20表示全彩色led顯示泡的結(jié)構(gòu)，圖7-21表示全彩色led在cie色度圖上的發(fā)光色度坐標(biāo)。為做成產(chǎn)品，需要進(jìn)行封裝，包括引線鍵合，澆注或模壓透明樹脂，采取相應(yīng)的散熱措施，引出電極等。由這種全彩色led矩陣布置構(gòu)成大屏幕顯示器，顏色鮮明、醒目，具有比一般顯示器更接近自然的色彩，作為高品位信息及圖像顯示器具有良好的發(fā)展前景。發(fā)光二極管

43、發(fā)光二極管 (led)81發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)824.11 紅外紅外led 盡管紅外led的用途與普通顯示器的用途不同，在此也略加介紹。紅外led的材料主要是gaas，p型及n型雜質(zhì)都用si，通過改變lpe單晶生長的條件，可控制si原子的置換位置（置換ga原子或as原子），并由此形成p-n結(jié)。相應(yīng)于這種情況，發(fā)光由深受主能級與導(dǎo)帶間的遷移引起，與gaas的帶隙相對應(yīng)，發(fā)光波長是相當(dāng)長的，發(fā)光效率很高，接近20，但響應(yīng)速度慢。作為不需要高速響應(yīng)的光耦合器、光分離器等復(fù)合光學(xué)器件應(yīng)用更為廣泛。對于要求高速響應(yīng)的情況，在犧牲發(fā)光效率的情況下，或采用zn擴(kuò)散的led，或者由gaaias構(gòu)成

44、的dh結(jié)構(gòu)。在這種情況下，波長降為900nm或更低。此外，最近在照相機(jī)的自動(dòng)聚焦等需要高輸出的場合，以及遠(yuǎn)程控制用光源等，都在使用帶有由gaaias制作的dh結(jié)結(jié)構(gòu)的高輸出型紅外led。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)83 led在我們的日常生活中屢見不鮮，廣泛應(yīng)用于家用電器、音響設(shè)備、汽車及照相機(jī)等產(chǎn)品中。在這些產(chǎn)品中，led或者用作顯示元件，通過顏色、數(shù)字、文字、符號等顯示機(jī)器設(shè)備的工作狀態(tài)，向使用者提供必要的信息，或者用作各種用途的發(fā)光光源。 在一些發(fā)達(dá)國家，led顯示器的應(yīng)用更為普遍。從小店鋪的營業(yè)標(biāo)志到大商場的商品廣告，從加油站的價(jià)目牌到大飯店的大廳壁畫以及鬧市區(qū)的公共告示牌、運(yùn)動(dòng)場

45、的比賽成績顯示板等都在應(yīng)用led，其顯示鮮明、醒目，動(dòng)態(tài)效果極好。在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用有自動(dòng)售票機(jī)、進(jìn)站自動(dòng)檢票口的信息顯示，火車車廂內(nèi)到站站名、時(shí)刻顯示、站內(nèi)列車時(shí)刻表、到達(dá)和發(fā)車車次顯示板等。在公路兩旁，都設(shè)有采用led的夜間交通指示標(biāo)志、交叉路口路標(biāo)指示、前方道路通行狀態(tài)顯示等，由于大型動(dòng)態(tài)的紅、黃色led顯示板極為鮮明、醒目，無疑為汽車司機(jī)提供了很大的方便。下面，針對led在顯示器中的基本應(yīng)用，分別加以簡單介紹。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)845.1 指示燈指示燈 在led的應(yīng)用中，首先應(yīng)舉出的是各種類型的指示燈、信號燈等。以前，作為顯示用光源，一直采用普通鎢絲白熾燈泡，但存在耐振

46、性差、易破碎等問題。隨著led的登場，特別是鑒于led的許多優(yōu)點(diǎn)，指示燈目前正處于更新?lián)Q代中。通常，led的壽命在數(shù)十萬小時(shí)以上（在規(guī)定的使用條件下），為普通白熾燈泡的100倍以上。而且具有功耗小、發(fā)光響應(yīng)速度快、亮度高、小型、耐振動(dòng)等特點(diǎn)，在各種應(yīng)用中占有明顯優(yōu)勢。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)855.2 數(shù)字顯示用顯示器數(shù)字顯示用顯示器 利用led進(jìn)行數(shù)字顯示，有點(diǎn)矩陣型和字段型兩種方式。點(diǎn)矩陣型如圖7-25所示，使led發(fā)光元件縱橫按矩陣排列，按需要顯示的文字只讓相應(yīng)的元件發(fā)光。為進(jìn)行數(shù)字顯示，每個(gè)數(shù)字通常需要7行5列的矩陣，共35個(gè)元件。除數(shù)字之外，還可顯示漢語拼音字母、英文字符、羅

47、馬字符、日文片假名等，其視認(rèn)性也很好。但是，從驅(qū)動(dòng)的簡便性及價(jià)格等方面考慮，筆段型顯示方式更為有利。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)86發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)87 筆段型數(shù)字顯示器如圖7-26所示，在led芯片的周圍設(shè)置反射框，芯片上方或者裝有光擴(kuò)散用的散擴(kuò)片，或者通過混有光擴(kuò)散劑（三氧化二鋁的微細(xì)粉末等）的環(huán)氧樹脂，將芯片與其周圍的結(jié)構(gòu)模注在一起，則由一個(gè)led即可構(gòu)成長方形的均勻發(fā)光面。反射框所圍的led作為一個(gè)筆段單位，大小可以變化，由此可以形成任意尺寸的數(shù)字顯示元件。筆段型顯示中，多數(shù)為7筆段型及16筆段型（見圖7-27）發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)88發(fā)光二極管發(fā)光二極

48、管 (led)895.3 陣列顯示器陣列顯示器 將筆段顯示用的反射框按各種各樣的形式直線排列，可對各種變化的量進(jìn)行連續(xù)顯示，如果再使用不同發(fā)光顏色的led芯片，則可以對大量信息進(jìn)行全彩色連續(xù)顯示。音響設(shè)備用的分頻音量水平顯示器（見圖7-29）以及汽車用平面轉(zhuǎn)速顯示器等都是采用陣列顯示器的實(shí)例。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)90發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)915.4 單片型平面顯示器單片型平面顯示器 單片型led顯示元件是在同一基板單晶上使發(fā)光點(diǎn)形成字段狀或矩陣狀的平面顯示元件。這種顯示元件的特點(diǎn)是，在保證高密度像素的前提下，可實(shí)現(xiàn)超小型化，其新的用途會(huì)不斷得到開發(fā)。圖7-30是單片型ga

49、p綠色led平面顯示元件的結(jié)構(gòu)（點(diǎn)矩陣型）的實(shí)例。每個(gè)發(fā)光部分的尺寸及節(jié)距分別是 0.23mm x0.23mm，及0.28mm，在11.2mmx11.2mm大小的單晶表面上可形成4040=1600個(gè)像素。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)92發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)935.5 混合型平面顯示器混合型平面顯示器 混合型平面顯示器與單片型不同，是在組裝基板上使每個(gè)led芯片排列成矩陣狀，構(gòu)成顯示元件。當(dāng)用于大型畫面時(shí)，通常30004000個(gè)像素構(gòu)成一個(gè)模塊，在實(shí)裝基板的背面設(shè)置驅(qū)動(dòng)回路，按瓦塊狀排列。例如，利用gap多色led芯片，該芯片可發(fā)出從紅色到綠色的任何中間色的光，按96x64=6144個(gè)像素排列的平面顯示元件已達(dá)到實(shí)用化。發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)945.6 點(diǎn)矩陣型平面顯示器點(diǎn)矩陣型平面顯示器 目前，用于室內(nèi)或室外顯示，采用led點(diǎn)矩陣型模塊的大型顯示器正在迅速推廣普及。由于采用led點(diǎn)矩陣型模塊結(jié)構(gòu)，顯示板的大小可由led發(fā)光點(diǎn)縱橫密排成任意尺寸；發(fā)光顏色可以是從紅到綠的任意單色，紅、綠、橙三色、多色，甚至全色；灰度可從十?dāng)?shù)階到幾十階分階調(diào)節(jié)；與專用ic相組合，也可由電視信號驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行電視、錄相顯示。 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (led)95 模塊結(jié)構(gòu)可分為兩大類。一類為小型模塊，如前面數(shù)字顯示用顯示器一節(jié)中