第七章LED發(fā)光二極管

發(fā)光二極管（LED）LED的發(fā)展LED發(fā)光原理LED芯片的制造過(guò)程LED的封裝與應(yīng)用未來(lái)的展望主要內(nèi)容：

能源問(wèn)題已成為當(dāng)今人類社會(huì)的熱門(mén)話題，節(jié)約能源與環(huán)保問(wèn)題日趨提上議程。節(jié)能應(yīng)成為各國(guó)的城市照明建設(shè)需要考慮的重要問(wèn)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(huì)對(duì)人類的節(jié)約能源作出巨大的貢獻(xiàn)。

20世紀(jì)中葉出現(xiàn)在市場(chǎng)上的第一批LED產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展歷程，在技術(shù)上已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步?，F(xiàn)在，LED的平均發(fā)光效率已達(dá)到了70lm/W（流明/瓦特），其光強(qiáng)已達(dá)到了燭光級(jí)，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(dá)到數(shù)萬(wàn)小時(shí)。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(shì)還在進(jìn)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(gè)國(guó)家均積極參與研發(fā)工作。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(guò)正向電流時(shí)，n區(qū)電子獲得能量越過(guò)PN結(jié)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(lán)、綠GaInN5090年代藍(lán)GaN200LED的發(fā)展，芯片的發(fā)展可見(jiàn)光LED的發(fā)展史白熾燈通常只講瓦數(shù)而不講流明數(shù)，白熾燈最常用的瓦數(shù)有15瓦、30瓦、45瓦、60瓦、75瓦和100瓦等。LED的優(yōu)點(diǎn)︰●壽命長(zhǎng),理論上為10萬(wàn)小時(shí)，一般大于5萬(wàn)小時(shí)（是熒光燈的10倍）●發(fā)熱量低，耗電量小,白熾燈的1/8,熒光燈的1/3）●體積小,重量輕,可封裝成各種類型，目前市面上最小的芯粒只有150um大小●堅(jiān)固耐用,不怕震動(dòng)。環(huán)氧樹(shù)脂封裝，防水，耐惡劣環(huán)境使用●多色顯示,利用RGB可實(shí)現(xiàn)七彩色顯示●工作溫度穩(wěn)定性好

散熱好●響應(yīng)時(shí)間快,一般為毫微秒(ns)級(jí)●冷光，不是熱光源●電壓低,可以用太陽(yáng)能電池作電源什么是發(fā)光二極管概念：半導(dǎo)體發(fā)光二極管是一類發(fā)射波長(zhǎng)覆蓋了可見(jiàn)光、紅外到遠(yuǎn)紅外，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體發(fā)光器件。

（通常發(fā)光二極管是指發(fā)射可見(jiàn)光的二極管，發(fā)光光譜為390-760nm，為人眼所見(jiàn)。）一般短波長(zhǎng)紅外光

高亮度長(zhǎng)波長(zhǎng)紅外光可見(jiàn)光不可見(jiàn)光LED波長(zhǎng)450~780nm光波長(zhǎng)850~1550nm850~950nm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(jí)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?；激發(fā)態(tài)原子非常不穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)很短的時(shí)間，不需任何外力下會(huì)跳回基態(tài)而釋放出光子，此程序?yàn)樽园l(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(lái)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LED的工作原理理論和實(shí)踐證明，光的峰值波長(zhǎng)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（nm）式中Eg的單位為電子伏特（eV）。若能產(chǎn)生可見(jiàn)光（波長(zhǎng)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(zhǎng)長(zhǎng)的光為紅外光。

現(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍(lán)光發(fā)光二極管。LED材料的選擇

若要半導(dǎo)體材料發(fā)出的光為人眼所見(jiàn)，則禁帶寬度應(yīng)為1.63-3.2eV之間，在此能量范圍之內(nèi)，帶隙為直接帶的III-V族半導(dǎo)體材料只有GaN等少數(shù)材料。

解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)辦法是利用III-V族的二元化合物組成新的三元或四元III-V族固溶體，通過(guò)改變固溶體的組分來(lái)改變禁帶寬度與帶隙類型。舉例由兩種III-V族化合物（如GaP和GaAs、GaP和InP）組成三元化合物固溶體，它們也是半導(dǎo)體材料，并且其能帶結(jié)構(gòu)、禁帶寬度都會(huì)隨著組分而變化，由一種半導(dǎo)體過(guò)渡到另一種半導(dǎo)體。

若以GaPxAs1-x為發(fā)光材料，則必須x<0.45，以確保其能帶結(jié)構(gòu)為直接帶隙。X的取值GaPxAs1-x禁帶寬度波長(zhǎng)與顏色x=0.2GaP0.2As0.81.66eVλ=747nm紅色X=0.35GaP0.35As0.651.848eVλ=671nm橙色由此可見(jiàn)，調(diào)節(jié)X的值就能改變材料的能級(jí)結(jié)構(gòu)，即改變LED的顏色。此即所謂的能帶工程。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(lán)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色度圖發(fā)光二極管的電流—電壓特性和普通二極管大體一致。發(fā)光二極管的開(kāi)啟電壓很低，GaAs是1.0伏，GaAs1-xPx大約1.5伏。GaP（紅光）大約1.8伏，GaP（綠光）大約2.0伏。工作電流約為10mA。工作電壓和工作電流低，使得可以把它們做的很小，以至于看作點(diǎn)光源，這使得LED極適宜用于光顯示。LED產(chǎn)業(yè)分工LED外延片和LED芯片：~70%LED封裝：10%~20%LED應(yīng)用：10%~20%１.利潤(rùn)特點(diǎn)２.資源需求LED芯片的制造技術(shù)首先在襯低上制作各種相關(guān)基底的外延片，這個(gè)過(guò)程主要是在金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積外延爐中完成的。準(zhǔn)備好制作基底外延片所需的材料源和各種高純氣體之后，按照工藝的要求就可以逐步把外延片做好。接下來(lái)是對(duì)LEDPN結(jié)的兩個(gè)電極進(jìn)行加工，電極加工也是制作LED芯片的關(guān)鍵工序，包括清洗、蒸鍍、黃光、化學(xué)蝕刻、熔合、研磨；然后對(duì)LED毛片進(jìn)行劃片、測(cè)試和分選，就可以得到所需的LED芯片。LED制作流程分為兩大部分：制作LED外延片的主要方法：氣相外延（VPE）：材料在氣相狀況下沉積在單晶基片上，這種生長(zhǎng)單晶薄膜的方法叫氣相外延法，氣相外延有開(kāi)管和閉管兩種方式。液相外延（LPE）：將用于外延的材料溶解在溶液中，使達(dá)到飽和，然后將單晶基片浸泡在這溶液中，再使溶液達(dá)到過(guò)飽和，這就導(dǎo)致材料不斷地在基片上析出結(jié)晶?？刂平Y(jié)晶層的厚度得到新的單晶薄膜。分子束外延（MBE）：在超高真空條件下，由裝有各種所需組分的爐子加熱而產(chǎn)生的蒸氣，經(jīng)小孔準(zhǔn)直后形成的分子束或原子束，直接噴射到適當(dāng)溫度的單晶基片上，同時(shí)控制分子束對(duì)襯底掃描，就可使分子或原子按晶體排列一層層地“長(zhǎng)”在基片上形成薄膜。等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)：是利用高頻在兩平板電極之間激發(fā)氣體放電形成等離子體，高化學(xué)活性的反應(yīng)物可使成膜反應(yīng)在較低溫度下進(jìn)行。金屬有機(jī)化合物氣相外延（MOCVD）：在氣相外延生長(zhǎng)（VPE）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型汽相外延生長(zhǎng)技術(shù)。它采用Ⅲ族、Ⅱ族元素的有機(jī)化合物和Ⅴ族元素的氫化物等作為晶體生長(zhǎng)原料，以熱分解反應(yīng)方式在襯底上進(jìn)行汽相外延，生長(zhǎng)各種Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體以及它們的多元固溶體的薄膜層單晶材料。常用的襯底主要有藍(lán)寶石、碳化硅和硅襯底，還有GaAs、AlN、ZnO等材料。MOCVD通過(guò)控制溫度、壓力、反應(yīng)物濃度、Ⅲ族的有機(jī)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(xiàng)設(shè)備，一段時(shí)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，目的形成歐姆接觸.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(diǎn)測(cè)。LED的測(cè)量參數(shù)：評(píng)價(jià)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(xiàng)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(shí)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(shí)間。輸出參數(shù)為光學(xué)的指標(biāo)，也含光的強(qiáng)弱和波長(zhǎng)等各項(xiàng)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(chǔ)存環(huán)境