LED結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)技術(shù)

1、1第三章第三章1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)2 LED基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)23.3LED 的基本結(jié)構(gòu)3.4LED的發(fā)光原理3.5LED的光學(xué)特點(diǎn)3.6高亮度LED芯片的產(chǎn)量3.7兩類高亮度LED的增長(zhǎng)率3.8LED芯片的制作及分類3.9LED的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)33.4 發(fā)光機(jī)理發(fā)光機(jī)理v白熾燈是把被加熱鎢原子的一部分熱激勵(lì)能轉(zhuǎn)白熾燈是把被加熱鎢原子的一部分熱激勵(lì)能轉(zhuǎn)變成光能，發(fā)出寬度為變成光能，發(fā)出寬度為1 000 nm 以上的白色連以上的白色連續(xù)光譜。續(xù)光譜。v發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LED）卻是通過(guò)電子在能帶之間）卻是通過(guò)電子在能帶之間的躍遷，發(fā)出頻譜寬度在幾百的躍遷，發(fā)出頻譜寬度在幾百

2、nm 以下的光。以下的光。v在構(gòu)成半導(dǎo)體晶體的原子內(nèi)部，存在著不同的在構(gòu)成半導(dǎo)體晶體的原子內(nèi)部，存在著不同的能帶。如果占據(jù)高能帶（導(dǎo)帶）的電子躍遷到能帶。如果占據(jù)高能帶（導(dǎo)帶）的電子躍遷到低能帶（價(jià)帶）上，就將其間的能量差（禁帶低能帶（價(jià)帶）上，就將其間的能量差（禁帶能量）以光的形式放出。這時(shí)發(fā)出的光，其波能量）以光的形式放出。這時(shí)發(fā)出的光，其波長(zhǎng)基本上由能帶差所決定。長(zhǎng)基本上由能帶差所決定。4基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)一. 光的特性.1.光具有粒子性 光是一種以光速C運(yùn)動(dòng)著的粒子流，這種粒子叫光子。光的能量是集中在光子中，光子具有一定的頻率，其一個(gè)光子具有的能量為E=hf=h. （f:光子具有一定的頻

3、率） 5二原子的能級(jí)結(jié)構(gòu) A 晶體的能帶1孤立原子的能級(jí)：在原子中存在著一個(gè)個(gè)分立能級(jí)，電子只能存在于這些分立的能級(jí)之上。2兩個(gè)原子的能級(jí)：每個(gè)能級(jí)已經(jīng)分裂成為兩個(gè)彼此靠的很近的能級(jí)。3大量原子能帶：電子不再屬于個(gè)別原子，它一方面圍繞每個(gè)原子運(yùn)動(dòng)，同時(shí)電子做共有化運(yùn)動(dòng)，相同能量的能級(jí)已變成許多靠得很近，分裂能級(jí)形成帶狀，稱為能帶。4晶體能帶：半導(dǎo)體是由大量原子有次序的周期性排列的晶體。6晶體的能帶圖EcEfEv導(dǎo)帶導(dǎo)帶Ec：空著沒(méi)有電子，是自由電子占據(jù)的能帶空著沒(méi)有電子，是自由電子占據(jù)的能帶禁帶禁帶Eg：無(wú)電子占據(jù)的能帶無(wú)電子占據(jù)的能帶Eg價(jià)帶價(jià)帶Ev ：形成化學(xué)價(jià)的電子占據(jù)的能帶形成化學(xué)價(jià)的

4、電子占據(jù)的能帶滿帶滿帶Ec：填滿電子的能帶填滿電子的能帶注：注：Eg= Ec- -Ev71.玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布在熱平衡條件下，各能級(jí)上的原子數(shù)服從玻耳茲曼統(tǒng)在熱平衡條件下，各能級(jí)上的原子數(shù)服從玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布計(jì)分布 : 式中：式中：N2為處于高能級(jí)為處于高能級(jí)E2上的原子數(shù)；上的原子數(shù)；Nl為處于低為處于低能級(jí)能級(jí)E1（基態(tài)）上的原子數(shù)（基態(tài)）上的原子數(shù))g(g 21/ )(1212012TkEEeggNN82.Femi統(tǒng)計(jì)規(guī)律統(tǒng)計(jì)規(guī)律在熱平衡狀態(tài)時(shí)，粒子在各能級(jí)之間的分布應(yīng)服從費(fèi)米統(tǒng)在熱平衡狀態(tài)時(shí)，粒子在各能級(jí)之間的分布應(yīng)服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)規(guī)律。計(jì)規(guī)律。 f（E）1/1exp（E-E

5、f）/K0T f f（E)E)能量為能量為E E被電子占據(jù)的機(jī)率（概率被電子占據(jù)的機(jī)率（概率）Ef 費(fèi)米能級(jí)。它與物質(zhì)的特性有關(guān)，它只是反映電子費(fèi)米能級(jí)。它與物質(zhì)的特性有關(guān)，它只是反映電子在各個(gè)能級(jí)中分布情況的一個(gè)參量（它是抽象的不存在的在各個(gè)能級(jí)中分布情況的一個(gè)參量（它是抽象的不存在的一個(gè)能級(jí)）。一個(gè)能級(jí)）。結(jié)論結(jié)論 ：N3N2E2E1粒子數(shù)隨能級(jí)的增高，粒子數(shù)隨能級(jí)的增高，按指數(shù)減少。按指數(shù)減少。9半導(dǎo)體的能帶和電子分布（a）本征半導(dǎo)體； （b）N型半導(dǎo)體； （c）P型半導(dǎo)體B半導(dǎo)體的能帶圖半導(dǎo)體的能帶圖10三光的輻射和吸收三光的輻射和吸收 能級(jí)的躍進(jìn) 愛因斯坦于1917年根據(jù)輻射與原子相

6、互作用量子學(xué)論提出:光與物質(zhì)相互作用將發(fā)生自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收三種物理過(guò)程。 11(a)自發(fā)輻射 (b)受激吸收 (c)受激輻射 圖4-2能級(jí)和電子的躍遷 121.自發(fā)輻射自發(fā)輻射(sp) 設(shè)設(shè)E2E1 。處于高能級(jí)。處于高能級(jí)E2的電子是不穩(wěn)定的，的電子是不穩(wěn)定的，它將按一定的概率，自發(fā)地（無(wú)外界輻射）向它將按一定的概率，自發(fā)地（無(wú)外界輻射）向低能低能E1上躍遷，并在躍遷的過(guò)程中發(fā)射出一個(gè)上躍遷，并在躍遷的過(guò)程中發(fā)射出一個(gè)頻率為頻率為f，能量為，能量為的光子。的光子。特點(diǎn)特點(diǎn) ：自發(fā)輻射是獨(dú)立自發(fā)躍遷自發(fā)輻射是獨(dú)立自發(fā)躍遷,產(chǎn)生光為非相干光產(chǎn)生光為非相干光,且光子之間互不相干且光子之

7、間互不相干.釋放光子的能量釋放光子的能量=E2-E1 =hf發(fā)射光子的頻率發(fā)射光子的頻率f=(E2-E1 ) /h; 13光的自光的自發(fā)輻射發(fā)輻射Ec cEvh h 發(fā)光二極管光的自發(fā)輻射發(fā)光二極管光的自發(fā)輻射自發(fā)輻射自發(fā)輻射-LED工作原理工作原理v如果把電流注入到半導(dǎo)體中的如果把電流注入到半導(dǎo)體中的P-N結(jié)上，則原子結(jié)上，則原子中占據(jù)低能帶的電子被激勵(lì)到高能帶后；中占據(jù)低能帶的電子被激勵(lì)到高能帶后；v當(dāng)電子從高能帶躍遷到低能帶時(shí)，將自發(fā)輻射出當(dāng)電子從高能帶躍遷到低能帶時(shí)，將自發(fā)輻射出一個(gè)光子，其能量為一個(gè)光子，其能量為 hv。v電子從高能帶躍遷到低能帶把電能轉(zhuǎn)變成光能的電子從高能帶躍遷到低

8、能帶把電能轉(zhuǎn)變成光能的器件叫器件叫 LED。14自發(fā)輻射的光是一種非相干光：自發(fā)輻射的光是一種非相干光：v當(dāng)電子返回低能級(jí)時(shí)，它們各自獨(dú)立地分當(dāng)電子返回低能級(jí)時(shí)，它們各自獨(dú)立地分別發(fā)射一個(gè)一個(gè)的光子。因此，這些光波別發(fā)射一個(gè)一個(gè)的光子。因此，這些光波可以有不同的相位和不同的偏振方向，它可以有不同的相位和不同的偏振方向，它們可以向各自方向傳播。們可以向各自方向傳播。v同時(shí)，高能帶上的電子可能處于不同的能同時(shí)，高能帶上的電子可能處于不同的能級(jí)，它們自發(fā)輻射到低能帶的不同能級(jí)上，級(jí)，它們自發(fā)輻射到低能帶的不同能級(jí)上，因而使發(fā)射光子的能量有一定的差別，使因而使發(fā)射光子的能量有一定的差別，使這些光波的波

9、長(zhǎng)并不完全一樣。這些光波的波長(zhǎng)并不完全一樣。15vLED的主要工作原理對(duì)應(yīng)光的自發(fā)發(fā)射過(guò)程，因的主要工作原理對(duì)應(yīng)光的自發(fā)發(fā)射過(guò)程，因而是一種而是一種非相干光源非相干光源。vLED發(fā)射光的譜線較寬、方向性較差，本身的響發(fā)射光的譜線較寬、方向性較差，本身的響應(yīng)速度又較慢，所以只應(yīng)速度又較慢，所以只適用于速率較低的通信系適用于速率較低的通信系統(tǒng)及各種照明中統(tǒng)及各種照明中。v在高速、大容量的光纖通信系統(tǒng)中主要采用在高速、大容量的光纖通信系統(tǒng)中主要采用半導(dǎo)半導(dǎo)體激光器體激光器作光源。作光源。發(fā)光二極管發(fā)光二極管LED162.受激吸收受激吸收 處于低能級(jí)的電子，當(dāng)受到外來(lái)的頻率處于低能級(jí)的電子，當(dāng)受到外來(lái)

10、的頻率光光f的感應(yīng)，即用的感應(yīng)，即用f（E2E1）/h的光子的光子照射時(shí)，原子中電子可以吸收光子的能量照射時(shí)，原子中電子可以吸收光子的能量從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷這個(gè)過(guò)程叫受激吸從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷這個(gè)過(guò)程叫受激吸收。收。17Ec c吸收光子后吸收光子后產(chǎn)生電子產(chǎn)生電子Ev光子光子h 輸入輸入(輸出電流)(輸出電流)(c) 光探測(cè)器件光的吸收光探測(cè)器件光的吸收受激吸收受激吸收 -光接收光接收器件原理器件原理v如果把光照射到占據(jù)低能帶的電子上；如果把光照射到占據(jù)低能帶的電子上；v則該電子吸收光子能量后，激勵(lì)而躍遷到則該電子吸收光子能量后，激勵(lì)而躍遷到較高的能帶上。較高的能帶上。v在半導(dǎo)體在半導(dǎo)體PN

11、結(jié)上外加電場(chǎng)后（反向電結(jié)上外加電場(chǎng)后（反向電壓），可以在外電路上取出處于高能帶上壓），可以在外電路上取出處于高能帶上的電子，使光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鳌５碾娮?，使光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?。這就是將在后面章節(jié)中敘述的光接收器件。這就是將在后面章節(jié)中敘述的光接收器件。183.受激輻射（受激輻射（st） 處于高能處于高能E2的電子受到外來(lái)光子的電子受到外來(lái)光子hf的感應(yīng)，發(fā)的感應(yīng)，發(fā)射一個(gè)與感應(yīng)光子一模一樣的全同光子即頻率、射一個(gè)與感應(yīng)光子一模一樣的全同光子即頻率、相位、偏振方向和傳播方向相同。相位、偏振方向和傳播方向相同。 受激輻射條件：外來(lái)光子的能量受激輻射條件：外來(lái)光子的能量hf外外E2-E1特點(diǎn)：外來(lái)光子與感應(yīng)

12、光子為全同光子特點(diǎn)：外來(lái)光子與感應(yīng)光子為全同光子.結(jié)論：如果外來(lái)光子代表的是輸入光波，則輸出結(jié)論：如果外來(lái)光子代表的是輸入光波，則輸出光波至少就增加了光波至少就增加了1倍，而入射光子得到了放大，倍，而入射光子得到了放大，這是激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)。這是激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)。19v在構(gòu)成半導(dǎo)體晶體的原子內(nèi)部，存在著不同的能帶；在構(gòu)成半導(dǎo)體晶體的原子內(nèi)部，存在著不同的能帶；v如果占據(jù)高能帶（導(dǎo)帶）的電子躍遷到低能帶（價(jià)帶）如果占據(jù)高能帶（導(dǎo)帶）的電子躍遷到低能帶（價(jià)帶）上，就將其間的能量差（禁帶能量）以光的形式放出；上，就將其間的能量差（禁帶能量）以光的形式放出；v這時(shí)發(fā)出的光，其波長(zhǎng)基本上由能帶差所決

13、定。這時(shí)發(fā)出的光，其波長(zhǎng)基本上由能帶差所決定。受激輻射受激輻射- 半導(dǎo)體激光器發(fā)光原理半導(dǎo)體激光器發(fā)光原理EcEvEg能能量量E空空穴穴電電子子導(dǎo)導(dǎo)帶帶費(fèi)費(fèi)米米能能級(jí)級(jí)價(jià)價(jià)帶帶費(fèi)費(fèi)米米能能級(jí)級(jí)光光子子eVhvEFnEFp狀狀態(tài)態(tài)密密度度vcgEEE hvE vc hcEE 1 2398.（ m） 20圖圖3.2.2 光的自發(fā)輻射、光的自發(fā)輻射、受激受激輻輻射和吸收射和吸收光光的的自自發(fā)發(fā)輻輻射射Ec cEvh h 光光的的受受激激發(fā)發(fā)射射Ec ch Evh 輸輸入入輸輸出出(a) 發(fā)發(fā)光光二二極極管管光光的的自自發(fā)發(fā)輻輻射射(b) 激激光光器器光光的的受受激激發(fā)發(fā)射射Ec c吸吸收收光光子子后

14、后產(chǎn)產(chǎn)生生電電子子Ev光光子子h 輸輸入入( (輸輸出出電電流流) )(c) 光光探探測(cè)測(cè)器器件件光光的的吸吸收收21LED的發(fā)光原理圖3-5LED的發(fā)光示意圖發(fā)光二極管是由-族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）、 AlGaInP （磷化鋁鎵銦）等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-V特性，即正向?qū)?，反向截止、擊穿特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。這些電子與價(jià)帶上的空穴復(fù)合，復(fù)合時(shí)得到的能量以光能的形式釋放。這就是LED的注入式電致發(fā)光原理注入式電致發(fā)光原理。 當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)，電流從LED陽(yáng)極流向陰極

15、時(shí)，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。 2223 電子由導(dǎo)帶向價(jià)帶躍遷時(shí)以光的形式釋放能量，大小為禁帶寬度Eg，由光的量子性可知： hf= Eg 其中h為普朗克常量6.6310-34Js ,f為頻率據(jù) f=c/（c=3*108m/s ）可得 =hc/Eg 1240/Eg（mm）LED發(fā)射波長(zhǎng)的公式推導(dǎo)EcEfEv導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶Eg價(jià)帶價(jià)帶滿帶滿帶24v光的峰值波長(zhǎng)與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度g有關(guān)，即 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(zhǎng)在380nm紫光780nm紅光），半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.261.63eV之間。E

16、cEfEv導(dǎo)帶導(dǎo)帶Ec禁帶禁帶EgEg價(jià)帶價(jià)帶Ev滿帶滿帶Ec2526一般一般短波長(zhǎng)紅外光短波長(zhǎng)紅外光 高亮度高亮度長(zhǎng)波長(zhǎng)紅外光長(zhǎng)波長(zhǎng)紅外光可見光可見光不可見光不可見光LED波長(zhǎng)450780nm光波長(zhǎng)8501550nm9501550nmv比紅光波長(zhǎng)長(zhǎng)的光為紅外光?，F(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠比紅光波長(zhǎng)長(zhǎng)的光為紅外光?，F(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍(lán)光發(fā)光二極管。及藍(lán)光發(fā)光二極管。27以下是各色光譜圖l藍(lán)色波長(zhǎng)藍(lán)色波長(zhǎng)47028以下是各色光譜圖l綠色波長(zhǎng)綠色波長(zhǎng)54029以下是各色光譜圖l紅光波長(zhǎng)紅光波長(zhǎng)65030以下是各色光譜圖l白色色溫白色色溫6500K31以下是各色光譜圖l黃色波長(zhǎng)黃色波長(zhǎng)6103

17、2v色溫v顯色指數(shù)色度學(xué)中LED光源兩個(gè)重要參數(shù)光源自身的顏色：用色溫來(lái)評(píng)價(jià)。光源的顯色性：用顯色指數(shù)評(píng)價(jià)光源的顏色特性光源的顏色特性33色度圖可用來(lái)表示所有顏色的色度特性。色度圖中心為白點(diǎn)（非彩色點(diǎn)），光譜軌跡上的點(diǎn)代表不同波長(zhǎng)的光譜色，是飽和度最高的顏色，越接近色度圖中心（白點(diǎn)），顏色的飽和度越低。圍繞色度圖中心不同的角度，顏色的色調(diào)不同。色色度度圖圖色品圖色品圖CIE1931,色坐標(biāo)，色坐標(biāo)，1931年國(guó)際照明委員會(huì)確認(rèn)三刺激值作為顏色的基準(zhǔn)色，其他顏色可以從三刺激組合而成，因?yàn)槿齻€(gè)坐標(biāo)值之和X+Y+Z=1,所以色坐標(biāo)往往用（x，y）表示。34bgrbbgrgbgrrzyx光譜三刺激值與

18、光譜色色度坐標(biāo)的關(guān)系式 35色溫：當(dāng)某種光源的色度(坐標(biāo))與某一溫度下的黑體色度(坐標(biāo))相同時(shí)，就稱此時(shí)黑體的溫度為該光源的顏色溫度，簡(jiǎn)稱色溫，用符號(hào)Tc表示，單位為開爾文，用“K”表示。例如：某光源的光色與黑體加熱到絕對(duì)溫度2400K所發(fā)出的光色相同時(shí)，則光源的色溫為2400K，它在CIE1931色度圖上的坐標(biāo)為x=0.4862，y=0.4147。36注意：色溫只是一種描述光源顏色的量值，色溫相同的光源它們的光譜組成可能會(huì)有很大的不同。另外，它與光源本身的溫度無(wú)關(guān)。37光源的顯色性 光源的顯色性是光源顏色特性的又一方面，即物體在光源照明下所呈現(xiàn)顏色的真實(shí)性。真實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)：日光下和火光下 白熾燈

19、的光譜分布與火光類似，顯色性很好。具有與白熾燈和日光相似的連續(xù)光譜的光源均有較好的顯色性。3839光源顯色性的評(píng)價(jià) 將待測(cè)光源下與參照標(biāo)準(zhǔn)光源下標(biāo)準(zhǔn)樣品的顏色相比較，偏差越小，則待測(cè)光源的顯色性越好。參照光源的顯色指數(shù)Ra=100，當(dāng)待測(cè)光源下與參照標(biāo)準(zhǔn)光源下的標(biāo)準(zhǔn)樣品顏色相同時(shí)，則此光源的顯色指數(shù)為100，顯色性最好。反之，顏色差異越大，顯色指數(shù)越低。 40LED:Whats inside?A packaged LEDelectrodessemiconductor chipepoxydomebond wires“silver cup”reflectorDifferent parts of a

20、n LEDLED 主要由PN結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)組成。3.3LED 的基本結(jié)構(gòu)4142electrodessemiconductor chipepoxydomebond wires“silver cup”reflectorDifferent parts of an LEDLED 主要由PN結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)組成。LED 芯片43Led芯片的分類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）。水平結(jié)構(gòu)LED芯片的兩個(gè)電極在LED芯片的同一側(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)，由于基底和

21、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，可以改善水平結(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。 水平型水平型 垂直型垂直型44市場(chǎng)上幾種常見的芯片Semileds垂直結(jié)構(gòu)HPO垂直結(jié)構(gòu)BRIDGELUX水平結(jié)構(gòu)FI水平結(jié)構(gòu)45垂直金屬襯底LED 兩種芯片發(fā)光形式兩種芯片發(fā)光形式垂直結(jié)構(gòu)46水平結(jié)構(gòu)藍(lán)寶石InGaN襯底LED65%左右的光從正面發(fā)出，左右的光從正面發(fā)出，35%的光從側(cè)面發(fā)出的光從側(cè)面發(fā)出47水平型結(jié)構(gòu)Led側(cè)面出光路線48垂直芯片制造技術(shù) 制造垂直結(jié)構(gòu)制造垂直結(jié)構(gòu)LED芯片技術(shù)主要有三種方

22、法：芯片技術(shù)主要有三種方法： 一、采用碳化硅基板生長(zhǎng)一、采用碳化硅基板生長(zhǎng)GaNGaN薄膜，優(yōu)點(diǎn)是在相同操作電流條薄膜，優(yōu)點(diǎn)是在相同操作電流條 下，光衰少、壽命長(zhǎng)，不足處是硅基板會(huì)吸光。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、壽長(zhǎng)，二、利用芯片黏合及剝離技術(shù)制造。優(yōu)點(diǎn)是光衰少、壽長(zhǎng)， 不足處是須對(duì)不足處是須對(duì)LEDLED表面進(jìn)行處理以提高發(fā)光效率。表面進(jìn)行處理以提高發(fā)光效率。 三、是采用異質(zhì)基板如三、是采用異質(zhì)基板如SiSi基板成長(zhǎng)基板成長(zhǎng)GaNGaN薄膜，優(yōu)點(diǎn)是散熱好、薄膜，優(yōu)點(diǎn)是散熱好、 易加工。易加工。49垂直型芯片性能介紹 當(dāng)前市場(chǎng)當(dāng)前

23、市場(chǎng)LEDLED芯片主要有兩種結(jié)構(gòu)：垂直型和水平型芯片主要有兩種結(jié)構(gòu)：垂直型和水平型 垂直型產(chǎn)品以垂直型產(chǎn)品以CREECREE芯片為代表特點(diǎn)主要是：芯片為代表特點(diǎn)主要是： 光效高：最高可達(dá)光效高：最高可達(dá) 186 lmw186 lmw，節(jié)能；，節(jié)能； 電壓低：藍(lán)光在電壓低：藍(lán)光在2.83.3V2.83.3V； 熱阻小：芯片本身的熱阻小于熱阻?。盒酒旧淼臒嶙栊∮?1 1 C/W;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，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。耐沖擊型強(qiáng)；同一尺寸芯片，發(fā)光面寬，亮度高。 光型好：

24、光型好：85%85%以上光從正面發(fā)出，易封裝，好配光；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。做特殊處理。50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：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：最高在光效一般：最高在 120 lmw120 lmw左右；左右； 電壓高：藍(lán)光在電壓高：藍(lán)光在3.03.8V3.03.8V； 熱阻高：使用藍(lán)寶石襯底導(dǎo)熱性差。芯片本身的熱阻在熱阻高：使用藍(lán)寶石襯底導(dǎo)熱性差。芯片本身的熱阻在 4-6 4-6 C/W;C/

25、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，在芯片的上表面做部燒壞；為彌補(bǔ)這一缺陷，在芯片的上表面做ITOITO（納米銦納米銦錫金屬氧化物，具有很好的導(dǎo)電性和透明性，可以切斷對(duì)人體有害的電子輻錫金屬氧化物，具有很好的導(dǎo)電性和透明性，可以切斷對(duì)人體有害的電子輻射、紫外線及遠(yuǎn)紅外線。因此，銦錫氧化物通常噴涂在玻璃、塑料及電子顯射、紫外線及遠(yuǎn)紅外線。因此，銦錫氧化物通常噴涂在玻璃、塑料及電子顯示屏上，用作透明導(dǎo)電薄膜，同時(shí)減少對(duì)人體有害的電子輻射及紫外、紅示屏上，用作透明導(dǎo)電薄膜，同時(shí)減少對(duì)人

26、體有害的電子輻射及紫外、紅外。外。 ）.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。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：光利用率低：65%65%左右的光從正面發(fā)出，左右的光從正面發(fā)出，35%35%的光從側(cè)面發(fā)出，靠反射來(lái)的光從側(cè)面發(fā)出，靠反射來(lái) 達(dá)到出光，利用率相對(duì)較低。達(dá)到出光，利用率相對(duì)較低。 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，不可取。熱，所以集成封裝只有加速它的衰減，不可取。 51外延生長(zhǎng)外延生長(zhǎng)芯片前工藝芯片前

27、工藝研磨、切割研磨、切割點(diǎn)測(cè)、分選點(diǎn)測(cè)、分選檢測(cè)入庫(kù)檢測(cè)入庫(kù)5253v外延生長(zhǎng)：外延生長(zhǎng)：MO源（源（高純金屬有機(jī)化合物是生長(zhǎng)半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材高純金屬有機(jī)化合物是生長(zhǎng)半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的支撐材料。料的支撐材料。 ）及）及NH3 （氨氣氨氣 ）由載氣傳輸?shù)椒磻?yīng)室，以）由載氣傳輸?shù)椒磻?yīng)室，以質(zhì)量流量計(jì)控制氣體流量，反應(yīng)物進(jìn)入反應(yīng)室后經(jīng)載氣傳輸質(zhì)量流量計(jì)控制氣體流量，反應(yīng)物進(jìn)入反應(yīng)室后經(jīng)載氣傳輸?shù)揭r底表面反應(yīng)形成外延薄膜。到襯底表面反應(yīng)形成外延薄膜。v主要設(shè)備有主要設(shè)備有MOCVD（氣相外延生長(zhǎng)技術(shù)氣相外延生長(zhǎng)技術(shù) ）、活化爐、）、活化爐、X-Ray、鐳射打標(biāo)機(jī)等。、鐳射打標(biāo)機(jī)等。 54藍(lán)寶石襯底藍(lán)寶石

28、襯底GaNGaN緩沖層緩沖層N N型型GaN : SiGaN : Si多量子阱有源區(qū)（多量子阱有源區(qū)（InGaN/GaNInGaN/GaN）P P型型GaNGaN：MgMgP P型型InGaNInGaN- -金屬接觸層金屬接觸層外延片（外延片（wafer）55LED外延片的襯底材料考慮的因素外延片的襯底材料考慮的因素v1、襯底與外延膜的結(jié)構(gòu)匹配：外延材料與襯底材料的晶體結(jié)構(gòu)相同或相近、晶格常數(shù)失配小、結(jié)晶性能好、缺陷密度低; v2、襯底與外延膜的熱膨脹系數(shù)匹配：熱膨脹系數(shù)的匹配非常重要，外延膜與襯底材料在熱膨脹系數(shù)上相差過(guò)大不僅可能使外延膜質(zhì)量下降，還會(huì)在器件工作過(guò)程中，由于發(fā)熱而造成器件的損

29、壞; v3、襯底與外延膜的化學(xué)穩(wěn)定性匹配：襯底材料要有好的化學(xué)穩(wěn)定性，在外延生長(zhǎng)的溫度和氣氛中不易分解和腐蝕，不能因?yàn)榕c外延膜的化學(xué)反應(yīng)使外延膜質(zhì)量下降; v4、材料制備的難易程度及成本的高低：考慮到產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的需要，襯底材料的制備要求簡(jiǎn)潔，成本不宜很高。襯底尺寸一般不小于2英寸。目前能用于商品化的襯底目前只有兩種，即藍(lán)寶石和碳化硅襯底 5657 一、前工藝一、前工藝 前工藝主前工藝主要工作就是在外延片上做成一顆顆晶粒。簡(jiǎn)要工作就是在外延片上做成一顆顆晶粒。簡(jiǎn)單的說(shuō)就是單的說(shuō)就是Chip On Wafer的制程。利用光刻機(jī)、掩膜版、的制程。利用光刻機(jī)、掩膜版、ICP（電感耦合等離子光譜發(fā)生儀電

30、感耦合等離子光譜發(fā)生儀 ）、蒸鍍機(jī)等設(shè)備制作）、蒸鍍機(jī)等設(shè)備制作圖形，在一個(gè)圖形，在一個(gè)2英寸的英寸的wafer片上做出幾千片上做出幾千上萬(wàn)顆連在一上萬(wàn)顆連在一起的晶粒。起的晶粒。芯片工藝一般分為芯片工藝一般分為前工藝、后工藝、點(diǎn)測(cè)分選前工藝、后工藝、點(diǎn)測(cè)分選三部分三部分58目前生產(chǎn)的芯片主要有：目前生產(chǎn)的芯片主要有：小功率：小功率：0707* *09mil09mil、0808* *12mil12mil、0808* *15mil15mil 12 12* *13mil13mil、1010* *16mil 16mil 背光源：背光源：1010* *23mil23mil高功率：高功率：4545* *

31、45mil45mil 1mil密耳=1/1000inch=0.00254cm=0.0254mm 59做透明導(dǎo)電層SubstrateP-GaNN-GaN前工藝前工藝UVSubstrateN-GaNP-GaNmaskUVITO做透明導(dǎo)電層SubstrateP-GaNN-GaNITO 電極做透明導(dǎo)電層SubstrateP-GaNN-GaNITO 電極二氧化硅保護(hù)層1-MESA（刻臺(tái)階）（刻臺(tái)階）3-做電極做電極4-做保護(hù)層做保護(hù)層2-做透明導(dǎo)電層（做透明導(dǎo)電層（ITO）60v單顆晶粒前工藝后成品圖單顆晶粒前工藝后成品圖6162相關(guān)設(shè)備相關(guān)設(shè)備 用于LED光罩對(duì)準(zhǔn)曝光微影制程。該設(shè)備是利用照相的技術(shù)，

32、定義出所需要的圖形，因?yàn)椴捎酶泄鈩┮灼毓猓迷邳S色燈光照明區(qū)域內(nèi)工作，所以其工作的區(qū)域叫做黃光區(qū)單電子槍金屬蒸鍍系統(tǒng) 光罩對(duì)準(zhǔn)曝光機(jī) 用于金屬蒸鍍（ITO，Al，Ti，Au，Ni，Mo，Pd，Pt，Ag）；金屬薄膜歐姆接觸蒸鍍 (四元LED，藍(lán)光LED，藍(lán)光LD)制程。63 介電質(zhì)薄膜厚度及折射率量測(cè) 光譜解析橢圓測(cè)厚儀 高溫快速熱處理系統(tǒng) 雜質(zhì)熱退火處理 金屬接面合金處理64IPQC（In-Process Quality Control）IPQC主要是對(duì)芯片的電性參數(shù)做檢測(cè)，然后品保會(huì)根據(jù)主要是對(duì)芯片的電性參數(shù)做檢測(cè)，然后品保會(huì)根據(jù)電性參數(shù)來(lái)判定晶片是繼續(xù)下道工序還是需要返工，檢電性參數(shù)來(lái)判

33、定晶片是繼續(xù)下道工序還是需要返工，檢測(cè)的電性參數(shù)主要有：測(cè)的電性參數(shù)主要有：Vf （正向電壓）（正向電壓）Iv （亮度）（亮度）ESD（抗靜電能力）（抗靜電能力）Ir （逆向電流）（逆向電流）Wd （波長(zhǎng)）（波長(zhǎng)）65二、后工藝二、后工藝 后工藝是將前工藝做成的含有數(shù)目眾多管芯的晶片減薄，后工藝是將前工藝做成的含有數(shù)目眾多管芯的晶片減薄，然后用激光切割成一顆顆獨(dú)立的管芯。然后用激光切割成一顆顆獨(dú)立的管芯。 研磨切割設(shè)備：研磨機(jī)、拋光機(jī)、清洗臺(tái)、粘片機(jī)、研磨切割設(shè)備：研磨機(jī)、拋光機(jī)、清洗臺(tái)、粘片機(jī)、切割機(jī)、裂片機(jī)。切割機(jī)、裂片機(jī)。芯片工藝一般分為芯片工藝一般分為前工藝、后工藝、點(diǎn)測(cè)分選前工藝、后

34、工藝、點(diǎn)測(cè)分選三部分三部分66后后工工藝藝切切割割裂裂片片研磨拋光研磨拋光陶瓷盤陶瓷盤晶片背面朝上晶片背面朝上AA0234YBBT18AA0234YBBT18AA0234YBBT18切割切割研磨研磨拋光拋光從晶片背面劈裂，從晶片背面劈裂，劈開后晶粒完全分開劈開后晶粒完全分開研磨是減薄厚度的主要研磨是減薄厚度的主要來(lái)源，襯底從來(lái)源，襯底從450um減減少至少至100um拋光可以使背表面更光滑，拋光可以使背表面更光滑，并且可以減少應(yīng)力并且可以減少應(yīng)力裂片裂片激光切割后的切割線激光切割后的切割線67研磨機(jī)研磨機(jī) 晶片研磨晶片研磨 晶片拋光晶片拋光 陶瓷盤陶瓷盤研磨研磨拋光拋光68JPSA激光切割機(jī)激

35、光切割機(jī)AA0234YBBT18AA0234YBBT18AA0234YBBT18切割切割激光切割后的切割線激光切割后的切割線69里德里德劈裂機(jī)劈裂機(jī)從晶片背面劈裂，從晶片背面劈裂，劈開后晶粒完全分開劈開后晶粒完全分開裂片裂片AA0234YBBT1870貼膜機(jī)清洗機(jī) 用于Wafer切割前，把Wafer很好的貼于切割用膜的表面。 用于Wafer切割后，把Wafer表面經(jīng)切割后留下的污物沖洗干凈。71v 點(diǎn)測(cè)分選的主要工作：點(diǎn)測(cè)分選的主要工作：1.點(diǎn)測(cè)大圓片或方片上每一顆晶粒電性和光學(xué)性能；點(diǎn)測(cè)大圓片或方片上每一顆晶粒電性和光學(xué)性能； 2. 將大圓片按照條件表分成規(guī)格一致的類型；將大圓片按照條件表分

36、成規(guī)格一致的類型；3. 吸除外觀不良部分，并貼上標(biāo)簽。吸除外觀不良部分，并貼上標(biāo)簽。v設(shè)備簡(jiǎn)介：設(shè)備簡(jiǎn)介：點(diǎn)測(cè)機(jī)、分選機(jī)、顯微鏡等點(diǎn)測(cè)機(jī)、分選機(jī)、顯微鏡等芯片工藝一般分為芯片工藝一般分為前工藝、后工藝、點(diǎn)測(cè)分選前工藝、后工藝、點(diǎn)測(cè)分選三部分三部分72分選機(jī)分選機(jī)點(diǎn)測(cè)機(jī)點(diǎn)測(cè)機(jī)73FQC:負(fù)責(zé)檢驗(yàn)各種規(guī)格的方片或大負(fù)責(zé)檢驗(yàn)各種規(guī)格的方片或大圓片的電性和外觀，合格后判定圓片的電性和外觀，合格后判定等級(jí)入庫(kù)。等級(jí)入庫(kù)。ORT:抽樣進(jìn)行封裝、老化測(cè)試。抽樣進(jìn)行封裝、老化測(cè)試。大圓片大圓片 方片方片7475LED的分類7677787980813.5.2LED的優(yōu)點(diǎn)82Capability Comparison Between Light Source in Machine Vision照明光源