LED電子顯示技術課件

1、LED電子顯示技術梁玉軍 博士12白光LED的原理和應用3白色LED照明燈地磚燈禮品燈手電筒4360 LED環(huán)形顯示器5360 LED環(huán)形顯示器6發(fā)光二極管(LED)7發(fā)光二極管(LED)8發(fā)光二極管(LED)9電壓：LED使用低壓電源，供電電壓在6-24V之間，根據產品不同而異，所以它是一個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，光衰為初始的50% 響應時間：其白熾燈的響應時間為毫秒級，LED燈的響應時間為納秒級 .

2、發(fā)光二極管(LED)10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修飾方法，調整材料的能帶結構和帶隙，實現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬?，黃色，最后為綠色 價格：LED的價格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只LED的價格就可以與一只白熾燈的價格相當，而通常每組信號燈需由上300500只二極管構成。發(fā)光二極管(LED)11發(fā)光二極管(LED)發(fā)光二極管及發(fā)光二極管顯示器(LED) LED用材料及發(fā)光機制LED的制作工藝各種LED及其特性LED顯示器的各種用途及發(fā)展前景LED的其他應用研究課題與展望121.1發(fā)光二極管 發(fā)光

3、二極管（light emitting diode，LED），顧名思義，是由半導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，僅能單方向通過電流。所謂發(fā)光二極管是指當在其整流方向施加電壓（稱為順方向）時，有電流注人，電子與空穴復合，其一部分能量變換為光并發(fā)射的二極管。 這種LED由半導體制成，屬于固體元件,工作狀態(tài)穩(wěn)定、可靠性高，其連續(xù)通電時間（壽命）可達105h以上。LED元件與一般半導體元件一樣，也被稱為芯片（chip），其尺寸通常為數百微米見方，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

4、導體材料，目前生產的發(fā)光二極管可以發(fā)射紅外、紅、橙、黃、綠、藍等范圍相當寬的各種各樣的顏色。發(fā)光二極管 (LED)13LED的開發(fā)經歷及今后展望 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)象得到進一步確認。1952年J.R.Haynes等在鍺，硅的PN結，以及1955年G.A.Wolff在GaP中相繼觀測到發(fā)光現(xiàn)象。一般認為，至此為LED的萌芽期發(fā)光二極管 (LED)14 20世紀60年代可以說是基礎技術的確立時期。從1962年Pankove觀察到GaAs中PN結的發(fā)光開始，相繼發(fā)表關

5、于GaAs，GaP，GaAsP，ZnSe等單晶生成技術、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7.2，從此實用化的研究開發(fā)加速展開 此后，在7080年代，由于基板單晶生長技術、PN結形成技術、元件制造、組裝自動化等技術的迅速進步。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。對于最難實現(xiàn)的藍色LED，采用了SiC，數年前也達到了實用化，已有顯示燈產品供應市場發(fā)光二極管 (LED)152.1 晶體結構及能帶結構 LED的發(fā)光來源于電子與空穴發(fā)生復合時放出的能量。作為LED用材

6、料，一是要求電子與空穴的輸運效率要高；二是要求電子與空穴復合時放出的能量應與所需要的發(fā)光波長相對應，一般多采用化合物半導體單晶材料。眾所周知，在半導體中，根據晶體中電子可能存在的能態(tài)有價帶、導帶、禁帶之分。來自半導體單晶的發(fā)光，是穿越這種材料固有禁帶的電子與價帶的空穴復合時所產生的現(xiàn)象。 發(fā)光二極管 (LED)16 Si、Ge等IV族元素單晶半導體的晶體結構，屬于圖72（a）所示的金剛石結構；GaAs、GaP、ZnSe等化合物半導體的晶體結構，屬于圖72（b）所示的閃鋅礦結構；GaN具有如圖72（c）所示的纖鋅礦結構，屬于六方點陣。 半導體元素，有大家所熟知的、位于周期表上第IV族的S、Ge，

7、它們作為半導體集成電路用材料，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合而成的IllV族，由II族的Zn與VI族的S、Se相結合而成的IIVI族，由Si與C相結合而成的IVIV族等化合物半導體。發(fā)光二極管 (LED)17發(fā)光二極管 (LED)18 一般說來，能帶結構與晶體結構關系很大，化合物半導體的能帶結構與金剛石型的能帶結構相類似。表71給出各種半導體晶體的特性。發(fā)光二極管 (LED)19半導體材料晶體結構能帶結構禁帶寬度/eV (300K)點陣常數/Si金剛石間接1.125.43Ge金剛石間接0.665.66AlP

8、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=3.08b=15.12發(fā)光二極管 (LED)20為了制取發(fā)光效率高的LED，在電子與空穴發(fā)生復合放出能量時，除了要考慮復合前后的能量之外，還應保持動量守恒?？色@得最高發(fā)光效率的復合過程是電子與空穴的最初動量相同，因復合而放出的能量全部變成光，而動量卻不發(fā)生變化，這種情況如圖7-3(a)所示。其能帶結構的特點是，在價帶頂與導帶底

9、不存在動量差，這種半導體發(fā)生的復合稱為直接躍遷型。發(fā)光二極管 (LED)21發(fā)光二極管 (LED)22 對于電子與空穴的初始動量不同的情況，為了保持動量守恒，需要熱、聲等晶格振動參與遷移過程，因此發(fā)生復合的幾率變得很低，這種初始動量不同的電子、空穴的復合稱為間接躍遷型，其能帶結構如圖7-3(b)所示。發(fā)光二極管 (LED)23發(fā)光二極管 (LED)24 另外，如圖7-3(c)所示，通過在導帶與價帶之間加人被稱作等電子捕集器(isoelectronic trap)的雜質中心，也可以使像 GaP這種間接遷移的情況達到很高的發(fā)光效率。發(fā)光二極管 (LED)25發(fā)光二極管 (LED)262.2 發(fā)光機

10、制及發(fā)光波長 LED的發(fā)光源于電子與空穴的復合，其發(fā)光波長是由復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所示在能帶結構中，由于導帶、價帶都為拋物線形狀，因此發(fā)光譜兩端都會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 (LED)27 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，通過在比價帶高的能量位置形成的所謂受主能級與導帶的電子發(fā)生復合的機制，其發(fā)光波長為940nm，

11、比GaAs禁帶寬度對應的發(fā)光波長880nm更長些。發(fā)光二極管 (LED)28 紅色LED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，在其中導入雜質Zn-O對作為發(fā)光中心，已實現(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 (LED)29在橙色、黃色LED中，使用的是以N為等電子捕集器的GaAsP；在綠色LED中，使用的是摻雜有高濃度N的間接遷移型GaP。而且，在純綠色LED中，正在使用不摻入雜質的GaP。發(fā)光二極管 (LED)30 藍色LED需要采用禁帶寬度大的材

12、料已經在研究開發(fā)的有SiC，GaN，ZnSe，ZnS等。SiC是容易形成P-N結的材料，屬于間接躍遷型，依靠摻入雜質Al和N能級間的躍遷產生發(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，高輝度藍色 LED正在達到實用化。發(fā)光二極管 (LED)312.3 電流注入與發(fā)光 實際LED的基本結構要有一個P-N結。當在P-N結上施加順向電壓，即P型接正，N型接負的電壓，會使能壘降低，從而使穿越能壘的電子向P型區(qū)擴散，使穿越能壘的空穴向N型區(qū)擴散的量增加。通常稱此為少數載流子注入，注入的少數載流子與多數載流子發(fā)生復合從而放出光。隨電壓增加，達到一定值

13、，電流急劇增加，光發(fā)射開始。電流開始增加時對應的電壓相應于P-N結勢壘的高度，稱該電壓為起始電壓，起始電壓隨LED材料及元件的結構不同而不同，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 (LED)322.4 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部量子效率；而射出晶體之外的光子與注入載流子之比稱為外部量子效率。由于在P-N結附近發(fā)生的光會受到晶體內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部量子效率。市售 LED產品的外部量子效率，紅色的大約為 15，從黃色到綠色的則在 0.3l范圍內，藍色的

14、大約為3。發(fā)光二極管 (LED)33 LED的發(fā)光效率與其能量收支相關，其數值可表示為載流子向P-N結的注入效率、載流子變?yōu)楣獾淖儞Q效率、產生的光到達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，例如在結構上采取讓光通過一般說來吸收率較小的N型半導體，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)光二極管 (LED)34 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的部分稱為光度，光度是顯示用可見光LED的輝度指標。發(fā)光二極管 (

15、LED)352.5 變頻特性 在LED中，由容抗及電阻決定的時間常數非常小，因此其調頻速度決定于載流子的壽命，而后者與載流子注人之后，經過復合，再到載流子消失所用的時間相對應。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，響應速度變慢，發(fā)光強度慢慢下降。與低周波變頻時相比，當高周波變頻時的發(fā)光強度降低1.5dB時的周波數稱為截止周波數fc，并由下式表示fc=1/(2)發(fā)光二極管 (LED)36 在 LED中，發(fā)光強度與截止周波數通常按折衷（(trade-off)關系處理。載流子壽命長，發(fā)光延續(xù)的時間亦長，從而發(fā)光強度高，但同時截止周波數變低。通過在活性區(qū)高濃度摻雜雜質

16、，因存在晶體缺陷及俄歇效應等，非發(fā)光復合的比例增加，從而可使載流子壽命變短。在要求高速響應的光通訊用紅外LED中，截止周波數從數十兆赫到 100MHz以上；另一方面，在高輝度可見光 LED中，截止周波數大致在IMHz上下。發(fā)光二極管 (LED)372.6 LED與激光二極管 如果說LED是由向P-N結注人電流的載流子復合時放出光（自然發(fā)射光）并向外取出的元件，激光二極管（LD）則進一步是通過所設置的光波導及共振器等，將放出光的一部分返回，并利用誘導放出，使光的強度升高的發(fā)光振器。所謂誘導放出，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)生復合，放出光，而放出光的位相與此時輸人光的位

17、相相同，因此光的強度增強。 發(fā)光二極管 (LED)38 圖7-7表示LD的基本構造及其能帶結構。在薄的活性層兩側，用禁帶寬度比活性層的禁帶寬度更寬的半導體形成PN結。發(fā)光二極管 (LED)393.1 單晶制作技術利用水平布里奇曼（Bridgman）法（又稱為HB法或舟皿生長法）及液體保護旋轉提拉法（又稱為液體保護切克勞斯基（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 (LED)40發(fā)光二極管 (LED)41GsAs單晶由控制溫差的HB法制作發(fā)光二極管 (LED

18、)42對于其他材料來說，正在進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族化合物單晶如 ZnSe（布里奇曼法、seeded physical vapor transport法、帶籽晶的物理氣相輸運法）、ZnS（碘輸運法）、SiC（升華法）等關于單晶生長，今后的研究課題是，減少雜質、提高組成及雜質分布的均勻性，減少缺陷及位錯密度。因此，生長過程的計算機模擬及生長中的監(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，對生長中晶體的結晶生長進行監(jiān)控的方法，通過X射線透視裝置進行監(jiān)控

19、的方法等。而且，單晶的分析評價技術對于單晶體的制作來說是必不可少的。發(fā)光二極管 (LED)433.2 外延技術 液相外延（liquid phase epitaxy，LPE）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。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 (LED)44 從原理上說是溶液冷卻法，即

20、利用溶解度相對于溫度的變化，通過飽和溶液的冷卻，使過飽和的溶質部分在基板表面析出的方法。發(fā)光二極管 (LED)45發(fā)光二極管 (LED)46 氣相外延（vapor Phase epitaxy，VPE）法，如圖 711所示，是使III族金屬源氣體與V族鹵化物或氫化物通過開管式反應而進行的氣相生長法，適合批量生產，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 (LED)47發(fā)光二極管 (LED)48 分子束外延（molecular beam epitaxy，MBE）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行單晶

21、生長的方法。其特點是組成、膜厚的可控制性及均勻性都很好發(fā)光二極管 (LED)49發(fā)光二極管 (LED)50 有機金屬化學氣相沉積（metalorganic chemical vapor deposition，MOCVD）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)生反應的單晶生長法。其裝置示意見圖 7-13。其特點與MBE相似，組成、膜厚的可控制性及均勻性都很好，是適于批量生產的單晶生長法。發(fā)光二極管 (LED)51發(fā)

22、光二極管 (LED)523.3 摻雜技術向化合物半導體單晶中摻雜雜質有各種不同的方法。在LPE法中，通過向熔液中添加各種雜質，即可獲得具有所要求的電導率、特定載流于濃度的單晶體。在VPE、MBE、MOCVD方法中，或者使固態(tài)的雜質蒸發(fā)，或者添加含有雜質的氣態(tài)化合物，以獲得所要求的電導率及載流子濃度等。摻人雜質的量可以獨立控制，重復性、可控制性都較好。擴散摻雜仍然是最重要的摻雜方法之一。擴散摻雜法分閉管式（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。發(fā)光二極管 (LED)53發(fā)光二極管 (LED)54近年來，出現(xiàn)一些新的擴散方法，例如通過Zn及S的離子注人層以及電子束（

23、electron beam，EB）蒸鍍的Si層，利用快速燈退火進行摻雜，但由于易產生晶體缺陷及結淺等原因，不適于LED的制作。選擇擴散用掩模一般用SiO2及SiNx等，但由于它們與GaAs的熱膨脹系數不同容易造成應變等，在與掩模的界面處，會產生由擴散引起的所謂“鳥嘴”現(xiàn)象。為了防止其發(fā)生，可用Si作擴散掩模，而在進行Si的擴散時，可以用Si膜作擴散源。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等發(fā)光二極管 (LED)553.4 元件制作及組裝技術 LED的制作分前道（外延）、中道（芯片）、后道（封裝）技術。具體說來，包括下述工序：由單晶生長及擴散制作 P-N結形成電極；解理或劃片

24、，將晶片分割成一個個的芯片；包覆保護膜；對芯片檢測分級；將芯片固定于引線框架中；引線鍵合；樹脂封裝；檢查并完成成品。發(fā)光二極管 (LED)56 對LED的檢查項目包括：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。對光通訊應用來說，需要測定光輸出，截止周波數，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，還需要實現(xiàn)自動化以提高效率、降低價格。發(fā)光二極管 (LED)57在LED領域，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展

25、最常見的紅光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體GaAIAs構成的雙異質結結構，目前已出現(xiàn)軸上光度超過3000mcd（20mA）的制品。在橙、黃色LED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，實現(xiàn)了高輝度LED。發(fā)光二極管 (LED)58在LED領域，難度最大的當數藍色LED。研究人員針對SiC、GaN、ZnSe、ZnS等材料已經進行過多年的研究開發(fā)。但是，對于這些材料來說，由于存在難以實現(xiàn)的問題，例如難以實現(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)良結晶性的P-N結等一系列問

26、題，很難制作與其他顏色LED的亮度相匹配的藍色LED元件，自然也就談不上批量生產。但是在最近數年間，在各種各樣的材料方面都獲得十分顯著的技術進步，已經生產出亮度可與高輝度紅色LED相匹敵的藍色LED制品。發(fā)光二極管 (LED)594.1 GaP：ZnO紅色LED GaP紅色LED于1970年前后開始工業(yè)化生產，為LED的主要產品類型。現(xiàn)在的可見光LED燈中，利用GaP材料的占相當大的比例。基板單晶為GaP，通過LPE法形成發(fā)光用的P-N結。在這種LED中，發(fā)光機制是基于間接躍遷型半導體中等電子捕集器雜質中心的發(fā)光，以Zn-O最近鄰對作為發(fā)光中心，可以獲得實用的發(fā)光效率（批量生產時5，最高達15

27、）。這種LED在高電流密度區(qū)域，發(fā)生效率達到極限值，因此多數在低電流下使用。其顯示元件彩色鮮明，靈巧輕便，多用于室內的各種機器設備中。發(fā)光二極管 (LED)604.2 GaP：N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。一般市售綠色LED按其發(fā)光峰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

28、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，其軸上光度可以達到200mcd（20mA）較高的值。發(fā)光二極管 (LED)614.3 GaAsP系紅色LED 在GaAsP系單晶體中，隨著GaAs1-xPx的成份比x的變化，可以獲得從紅外（x=0）到綠色（x=1）的發(fā)光。先在單晶基板上通過VPE法生長N型GaAsP，而后經擴散Zn，形成發(fā)光用的P-N結。當基板單晶采用GaP時，由P-N結（x=0.55的GaAs1-x

29、Px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)光效率在批量生產的情況為0.2，而最高可達0.5。 對于GaAsP以及GaP紅色LED來說，隨著GaP基板單晶生長技術的完善，發(fā)光層結晶性的提高以及摻雜技術的改進，其發(fā)光效率不斷提高，輝度年年都有改進。隨著批量生產技術的不斷完善，上述兩種紅色LED的價格都降到較低的水平。發(fā)光二極管 (LED)624.4 GaAsP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。當GaAs1-xPx的組成比x與紅色LED的相比逐漸變大時，發(fā)光波長會向短波長方向轉

30、變。與此相伴，為了改善其能帶結構為間接遷移型的缺點，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，分別對應發(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的進一步增加，對應發(fā)光峰值波長為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 (LED)634.5 GaAlAs系LED Ga1-xAIxAs LED為發(fā)光峰值波長為 660nm的紅色LED，它是為了克服前述的GaP及GaAsP紅色LED因達到飽和，輝度難以提高的缺點而開發(fā)的。

31、如圖7-15所示，在X0.35（直接遷移型）的范圍內，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，生長層的晶體缺陷少。發(fā)光二極管 (LED)64 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結（SH）結構，在此基礎上還進一步開發(fā)了將發(fā)光層夾于其間，將載流子封閉于發(fā)光層之內的雙異質結（DH）結構。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 (

32、LED)65 由于采取了上述一系列措施，發(fā)光效率獲得驚人的提高，以批量生產的外部量子效率（發(fā)光效率）為例，采用SH結構的可達3（軸上光度500mcd，20mA），采用DH結構的可達15（軸上輝度3000mcd，20mA）。因此，其應用領域正在向汽車用的高亮度后制動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展。發(fā)光二極管 (LED)66發(fā)光二極管 (LED)674.6 InGaAlP系橙色、黃色LED InGaAIP是近年來達到實用化的混晶材料，具有直接躍遷型能帶結構。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構成的In0.5(Ga1-xAIx)0.5

33、P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寬的高發(fā)光效率LED。 發(fā)光二極管 (LED)68 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，并形成雙異質結結構。同時，為了提高內部發(fā)光效率，需要采用最佳雜質濃度及平面度、平整度要求嚴格的基板單晶。發(fā)光二極管 (LED)69 圖7-16為InGaAIP橙色LED元件的斷面結構，圖7-17表示其發(fā)光光譜。對于黃色LED（波長590nm）來說，在研究階段就已經達到與

34、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，通過在元件內部形成電流擴散層及黑色反射層等，已開發(fā)出發(fā)光峰值波長566nrn，光度800mcd的黃綠色LED。發(fā)光二極管 (LED)70發(fā)光二極管 (LED)714.7 GaN系藍色LED GaN具有直接躍遷型能帶結構，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，在藍寶石基板單晶上生長N型GaN，在其單晶生長面上通過擴散Zn形成I層，由此得到了具有MIS結構的藍色LED，其發(fā)光效率為0.03，當電流為10mA時軸上光度達到10mcd。但是存在重復性很差等不少問題

35、，為了實現(xiàn)高輝度需要提高材料的結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 (LED)72 為此，采用MOVPE法在藍寶石基板單晶上以低溫沉積的氮化鋁（AIN）為緩沖層，進行GaN的生長，獲得了質量比較高的單晶體。有人進一步通過電子束照射處理，證明此法對受主雜質的活性化十分有效，并且首先制成了顯示P型電導性的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。

36、發(fā)光二極管 (LED)73 基于上述技術，最近GaN系藍色LED的特性得到明顯提高。據報道，由于在發(fā)光層中采用了由InGaN構成的DH結構，在發(fā)光波長450nrn的藍色LED中，光度已達到2500mcd；在發(fā)光波長500nm的藍綠色LED中，光度已達2000mcd。上述數據已與目前采用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，實現(xiàn)了人們多年來一直追求的目標。圖7-18給出具有 InGaNAIGaN雙異質結（DH）結構的藍色LED的示意圖。發(fā)光二極管 (LED)74發(fā)光二極管 (LED)754.8 SiC藍色LED 在最早投入市場的藍色LED中用的材料就是Si

37、C，與其他材料不同的是，SiC比較容易獲得P型單晶。SiC藍色LED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的改進，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。 最近，通過采用SiC基板單晶，在1700上下形成P-N結，以提高材料的結晶性，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，其發(fā)光效率獲得飛躍性的提高，輝度已達到30mcd（20mA）。這種SIC LED的制作工序如圖7-19所示。發(fā)光二極管 (LED)76 關于SiC大型基板單晶的生長，一般采用真空升華法，

38、需要2300oC的高溫，以多晶SiC為原料并置于高溫端，而在低溫端設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型電導性的單晶體。據報道，已有長成直徑34mm，高14mm的N型SiC單晶。顯然，基板單晶生長技術的進展對于促進SiC藍色LED的批量化生產是極為重要的。 從目前的發(fā)展趨勢看，SiC藍色LED今后在提高發(fā)光效率、改善工藝、降低價格等方面會出現(xiàn)快速的發(fā)展。發(fā)光二極管 (LED)77發(fā)光二極管 (LED)784.9 II-VI族藍色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體材料，極

39、有希望用于高發(fā)光效率的藍色LED，而且近年來已獲得十分顯著的進步。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)質的單晶體，而且，雜質的摻雜可精確控制。上述因素為其在LED中的應用創(chuàng)造了很好的條件。 目前，II-VI族化合物半導體LED的制作尚處于研究開發(fā)階段，但有報告指出，采用ZnSe基板的試制品具有相當高的發(fā)光效率。為了使采用II-VI族半導體材料的短波長發(fā)光器件達到實用化，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，降低價格等，都需要進一步研究開發(fā)。發(fā)光二極管 (LED)794.10 全彩色LED 目前，由全彩色LED構成

40、的大屏幕顯示器正在試制中，一般是由SiC 或GaN等藍色LED與由其他材料構成的紅、綠色LED相組合，構成混合型全彩色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顯示泡的結構，圖7-21表示全彩色LED在CIE色度圖上的發(fā)光色度坐標。為做成產品，需要進行封裝，包括引線鍵合，澆注或模壓透明樹脂，采取相應的散熱措施，引出電極等。由這種全彩色LED矩陣布置構成大屏幕顯示器，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

41、。發(fā)光二極管 (LED)80發(fā)光二極管 (LED)814.11 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。相應于這種情況，發(fā)光由深受主能級與導帶間的遷移引起，與GaAs的帶隙相對應，發(fā)光波長是相當長的，發(fā)光效率很高，接近20，但響應速度慢。作為不需要高速響應的光耦合器、光分離器等復合光學器件應用更為廣泛。對于要求高速響應的情況，在犧牲發(fā)光效率的情況下，或采用Zn擴散的LED，或者由GaAIAs構成的DH結構。

42、在這種情況下，波長降為900nm或更低。此外，最近在照相機的自動聚焦等需要高輸出的場合，以及遠程控制用光源等，都在使用帶有由GaAIAs制作的DH結結構的高輸出型紅外LED。發(fā)光二極管 (LED)82 LED在我們的日常生活中屢見不鮮，廣泛應用于家用電器、音響設備、汽車及照相機等產品中。在這些產品中，LED或者用作顯示元件，通過顏色、數字、文字、符號等顯示機器設備的工作狀態(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)達國家，LED顯示器的應用更為普遍。從小店鋪的營業(yè)標志到大商場的商品廣告，從加油站的價目牌到大飯店的大廳壁畫以及鬧市區(qū)的公共告示牌、運動場的比賽成績顯示板等都在

43、應用LED，其顯示鮮明、醒目，動態(tài)效果極好。在交通運輸領域的應用有自動售票機、進站自動檢票口的信息顯示，火車車廂內到站站名、時刻顯示、站內列車時刻表、到達和發(fā)車車次顯示板等。在公路兩旁，都設有采用LED的夜間交通指示標志、交叉路口路標指示、前方道路通行狀態(tài)顯示等，由于大型動態(tài)的紅、黃色LED顯示板極為鮮明、醒目，無疑為汽車司機提供了很大的方便。下面，針對LED在顯示器中的基本應用，分別加以簡單介紹。發(fā)光二極管 (LED)835.1 指示燈 在LED的應用中，首先應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，但存在耐振性差、易破碎等問題。隨著LED的登場，

44、特別是鑒于LED的許多優(yōu)點，指示燈目前正處于更新?lián)Q代中。通常，LED的壽命在數十萬小時以上（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)光響應速度快、亮度高、小型、耐振動等特點，在各種應用中占有明顯優(yōu)勢。發(fā)光二極管 (LED)845.2 數字顯示用顯示器 利用LED進行數字顯示，有點矩陣型和字段型兩種方式。點矩陣型如圖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的元件發(fā)光。為進行數字顯示，每個數字通常需要7行5列的矩陣，共35個元件。除數字之外，還可顯示漢語拼音字母、英文字符、羅馬字符、日文片假名等，其視認性也很好。但是，從驅動的簡便性及價格

45、等方面考慮，筆段型顯示方式更為有利。發(fā)光二極管 (LED)85發(fā)光二極管 (LED)86 筆段型數字顯示器如圖7-26所示，在LED芯片的周圍設置反射框，芯片上方或者裝有光擴散用的散擴片，或者通過混有光擴散劑（三氧化二鋁的微細粉末等）的環(huán)氧樹脂，將芯片與其周圍的結構模注在一起，則由一個LED即可構成長方形的均勻發(fā)光面。反射框所圍的LED作為一個筆段單位，大小可以變化，由此可以形成任意尺寸的數字顯示元件。筆段型顯示中，多數為7筆段型及16筆段型（見圖7-27）發(fā)光二極管 (LED)87發(fā)光二極管 (LED)885.3 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行

46、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行全彩色連續(xù)顯示。音響設備用的分頻音量水平顯示器（見圖7-29）以及汽車用平面轉速顯示器等都是采用陣列顯示器的實例。發(fā)光二極管 (LED)89發(fā)光二極管 (LED)905.4 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是，在保證高密度像素的前提下，可實現(xiàn)超小型化，其新的用途會不斷得到開發(fā)。圖7-30是單片型GaP綠色LED平面顯示元件的結構（點矩陣型）的實例。每個發(fā)光部分的尺寸及節(jié)距分別是 0.23mm X0.23mm，及0.28mm，在11.2mmX11.

47、2mm大小的單晶表面上可形成4040=1600個像素。發(fā)光二極管 (LED)91發(fā)光二極管 (LED)925.5 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LED芯片排列成矩陣狀，構成顯示元件。當用于大型畫面時，通常30004000個像素構成一個模塊，在實裝基板的背面設置驅動回路，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個像素排列的平面顯示元件已達到實用化。發(fā)光二極管 (LED)935.6 點矩陣型平面顯示器 目前，用于室內或室外顯示，采用LED點矩陣型模塊的大型顯示器正在迅速推廣普及。由于采用LED點矩陣型模塊結構，顯示板的大小可由LED發(fā)光點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；灰度可從十數階到幾十階分階調節(jié)；與專用IC相組合，也可由電視信號驅動，進行電視、錄相顯示。 發(fā)光二極管 (LED)94 模塊結構可分為兩大類。一類為小型模塊，如前面