LED基础知识.ppt

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1、LED基础知识讲座,- 2009,一、关于电压,LED的电流-电压特性？ 蓝光LED的工作电压为什么偏离禁带宽度？ 什么是VF1和VF2，为什么要测量VF1？ 什么是反向电压(VR)和反向漏电流(IR)，VR与IR的关系？ 什么是ESD？ VF，VR与外延和芯片工艺的关系？,1.1 LED的电流电压特性,理想二极管方程： I=,如果正向电压VkT/e则 I IseeV/kT，将VD代入改写方程得到： I=C.ee(V-VD)/kT,1.1 LED的电流-电压特性,LED的I-V特性曲线。,由上述方程可知，当正向电压接近VD时，电流将迅速增大，此后电流再增大，电压几乎不变。当掺杂浓度很高时： V

2、th VDEg/e Eg 为半导体材料的禁带宽度。,1.1 LED的电流-电压特性,通常所说的LED工作电压指，给LED通上20mA电流所需要的电压。 实际工作的LED的压降主要来源于：p-n结、N电极接触电阻、N型半导体层体电阻，P电极接触电阻、P型半导体层体电阻。 V = Eg/e + IRs 传统LED的接触电阻和体电阻很小，工作电压主要取决于p-n结的性质。,1.2 蓝光LED的电压为什么偏离Eg,蓝光LED使用的InGaAlN材料具有很大的能带失调值，形成许多异质结界面，具有较大的势垒。 InGaAlN材料体系的欧姆接触技术还不成熟，导致接触电阻较大，尤其是P型欧姆接触质量较差。 I

3、nGaAlN材料的P型掺杂困难，导致P型层电导率低，体电阻较大。 InGaAlN材料的广泛使用过渡层技术，这些过渡层有时会带来一些电阻。,1.3 什么是VF1和VF2，为什么要测量VF1,VF1一般指正向通1微安或10微安电流时的电压值。 VF2一般指正向通20mA电流时的电压值，也即泛指的 LED工作电压。 同样可以定义500mA下的电压值为VF3，并类推。 VF1也称启动电压。由于VF1一般略低于Vth，此时流 过p-n结的电流很小，电压的大小可以反应并联电阻的 大小(漏电)。并联电阻的来源包括结区的缺陷，如位 错、微孔等，芯片侧面p-n结附近的导电物质污染，以 及钝化层绝缘性差等。一般希

4、望并联电阻越大越好 （VF1高），但有时可以利用并联电阻保护LED (ESD)。,1.4什么是VR和IR,VR指一定反向电流下的电压值，其最大值为反向击穿电压(VB)，一般在反向10微安或1微安下测量。 IR指一定的反向电压下，反向电流的大小，当VR8000 volts Per JESD22-A115-A(MM) Class A 0 volt to 200 volts Class B 200 volts to 400 volts Class C 400 volts and above,1.5 什么是ESD,静电测试是有损测试。 抗静电能力是不可筛选项目。 相对于传统LED而言，GaN基LED抗

5、静电能力较差， 但最近几年已有显著进步。 要提高GaN LED的抗静电能力，主要靠提高外延材料 的质量，同时也要提高钝化层的质量。 在GaN LED应用中可以通过并联Zener保护二极管来 避免ESD损伤。,1.6 VF和VR与外延和芯片工艺的关系,外延工艺对VF 的主要影响因素为各层掺杂浓度和厚度，影响掺杂 浓度的因素： 掺杂元素的流量与掺杂浓度一般呈线性关系。 材料组分不同，掺杂效率可相差很大。 温度对杂质掺入效率有很大影响。 气压对杂质掺入效率有很大影响。 未掺杂层或低掺杂层的厚度对电压有决定性影响，而 温度场的均匀性对厚度均匀性具有很大影响。 外延工艺导致的电压问题一般在wafer上具

6、有与反 应室形状相关的分布。,1.6 VF和VR与外延和芯片工艺的关系,芯片工艺对VF的影响主要在于欧姆接触的质量。对于确定的电极材料，则影响欧姆接触的主要因素有： 半导体材料的表面清洗质量， 金属的纯度， 金属层的厚度， 合金温度和气氛， 接触层蚀刻或粗化的深度， 电极面积的大小。,1.6 VF和VR与外延和芯片工艺的关系,外延工艺对VR的影响： p-n结附近掺杂浓度越高，VR越低，反之越高。 芯片工艺对VR的影响： 欧姆接触不良，VR升高； 钝化不良，VR下降； 芯片尺寸缩小（或台面钻蚀），VR升高；,二、关于波长,主波长与峰值波长的关系？ LED发光波长取决于什么因素？ PL波长与EL波

7、长的关系？ 什么是波长漂移，它跟什么因素有关? 发光波长偏差与外延和芯片工艺的关系？,2.1、主波长与峰值波长的关系,峰值波长是该LED发光光谱中强度最高的点对应的波长， 峰值波长是一个纯物理量。,一般LED是单色光，其发光光谱只有一个峰，该峰的顶点对应的波长为峰值波长。 如果有多个发光峰，则峰值波长指最强的一个的波长。,2.1 主波长与峰值波长的关系,主波长：任何一个颜色都可以看作为用某一个光谱色按一定比例与一个参照光源（如CIE标准光源A、B、C等，等能光源E，标准照明体D65 等）相混合而匹配出来的颜色，这个光谱色就是颜色的主波长。颜色的主波长相当于人眼观测到的颜色的色调（心理量）。若已

8、获得被测LED器件的色度坐标，就可以采用等能白光E光源（ x00.3333，y0 0.3333）作为参照光源来计算决定颜色的主波长。计算时根据色度图上连接参照光源色度点与样品颜色色度点的直线的斜率，查表读出直线与光谱轨迹的交点，确定主波长。 主波长是一个心理物理量。,2.1、主波长与峰值波长的关系,对于单色光(光谱非常窄)，峰值波长等于主波长。 对于LED，一般主波长峰 值波长；主波长555nm时，主波长峰值波长。 引起峰值波长和主波长不相等的原因在于光谱 分布不对称且人眼对不同波长的光的视觉敏感 度不同。,2.2、LED发光波长取决于什么因素,发光波长取决于 禁带宽度： = 1240/Eg

9、(nm) 可见光的波长范 围：380nm -800 nm，对应的禁带 宽度约3.31.6eV 通过形成混晶可 以实现发光波长 的连续变化。,2.2、LED发光波长取决于什么因素,影响发光波长的因素还有： 对于采用量子阱结构的器件，量子限制效应会使发 光波长变短（阱越窄越短）。 对于InGaAlN材料体系，由于有很强的极化电场， 使发光波长变长（阱越宽越长）。 温度升高，发光波长变长。 发光层承受的应力状态可使发光波长变化，张应力 使波长变长，压应力使波长变短。,2.3、PL波长与EL波长的关系,PL波长指用激光激发发光层得到的发光的波 长，一般用于对外延片直接测量。 EL波长指用电流注入发光层

10、得到的发光的波 长，一般用于芯片测量。 PL波长和EL波长差异的可能原因： 两种测量的发光层位置不同； 两种测量的激发密度不同； EL测量有较强的载流子屏蔽作用。,2.4、什么是波长漂移，它跟什么因素有关?,波长漂移通常指LED在不同的工作电流下发光波 长的变化。 对于传统的LED，波长漂移较小，不太引起注意。 GaN基蓝绿光LED，一般随着电流的加大，波长 变短（蓝移），从1mA到20mA，波长的移动有 时达到10nm以上，所以对于颜色敏感的应用领 域是一个重要的问题。 GaN基LED的波长飘移主要来源于量子阱中巨大 的极化电场，该电场的存在使发光波长变长。随 着注入电流增大，该电场被逐渐屏

11、蔽，波长蓝移。 量子阱越厚，阱的In组分越高，波长飘移越大。,2.5、发光波长偏差与外延和芯片工艺的关系？,Mapping图中波长偏差一般是外延工艺决定的。 波长的偏差大多数情况下跟温度的均匀性有关： TS机型ABC加热比调节不当； Aixtron机型的Coil或大盘未调平； 操作员未把衬底放好，局部被垫起。 气流输运未达平衡，外延片表面生长速率不一 致，阱宽或阱的In组分不均匀则发光波长不均匀。 外延工艺不合适，外延层应力太大导致衬底翘 起，引起传热不均匀。 设备故障，旋转机构未正常运转。,2.5、发光波长偏差与外延和芯片工艺的关系？,一般情况下，发光波长偏差与芯片工艺关系不大。 但某些工艺

12、控制不当可引起波长变化： 部分工艺可改变外延片应力结构，导致波长变 化，如粗化； 如因芯片工艺不当，导致漏电严重，则波长可 能发生变化； 芯片工序如果混片，会导致波长判断出现错误！,三、关于亮度,怎样表征LED的发光效率？ 怎样表征LED的亮度？ 流明(lm)、毫瓦(mW)、毫烛光(mcd)、勒克斯(lx)、尼特(nit)这些单位之间有什么区别和联系？ 为什么绿光mW低而mcd反而高？,3.1、怎样表征LED的发光效率,内量子效率：电子空穴复合产生的光子数与注入 的电子空穴对的比例。 外量子效率：发射到LED器件外的光子数与注入 的电子空穴对数的比例。 抽取效率：外量子效率和内量子效率的比值。

13、 功率效率：输出的光功率与输入的电功率的比值。 流明效率：输出的光通量与输入的电功率的比值。,3.2、怎样表征LED的发光强度,表征LED芯片发光强度的术语常用的有两个： 光强：一光源在单位立体角内所发射的光通量， 其单位为烛光(cd)，一单位立体角发出一个流明 的光，起光强就是一烛光。 光输出功率：一光源单位时间内输出的光能量， 其单位为毫瓦（mW=mJ/s）。 封装后的LED一般用法向光强和辐射半强角来表 征其亮度。 对于白光LED，除了用法向光强还常用光通量来 表示其亮度。光通量：一辐射源单位时间内发出 的辐射对人眼所引起的感觉的量（单位：流明）。,3.2、怎样表征LED的发光强度,对于

14、照明光源，除了用流明效率表示亮度外，还 常用的术语有： 面发光亮度（单位：尼特，nit）：一尼特等于一 平方米表面沿法线方向产生一烛光的光强。 照度（单位：勒克斯，lx）:一勒克斯为一平方米 面积上接受一流明的光通量。,3.3为什么绿光mW低而mcd反而高？,人眼对不同波长的光敏感度不同，敏感度最强的是555nm的绿光（680lm/W）。,视见函数曲线,四、关于可靠性,LED可靠性的基本概念？ LED失效的基本规律？ LED的失效与什么因素有关？,4.1、LED可靠性的基本概念,可靠性：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规 定功能的能力。 可靠度R(t)：表示电子器件产品在规定条件下使用一

15、段时 间t后，还能完成规定功能的概率。 失效：执行规定功能的能力的终止。 LED失效类别： 严重失效：关键的光电参数改变至LED不能点亮的程度。（开路、短路或标准光输出测试条件下停止光输出） 2) 参数失效：关键的光电参数由初始值改变至超过一定程度。 (一般正常轻微的不影响LED工作的光电参数随时间的变化，不被认作失效；IV/中等程度的下降、VF及IR中等程度的变化，可能被认做失效。) 失效率（）：单位工作时间内LED严重失效数的百分比。 平均无故障时间（MTTF）：有效使用期内故障率的倒数。,4.2、LED失效的基本规律,4.3 LED的失效与什么因素有关？,固有可靠性：出厂前的设计制造过程中决定的元器件本身具有的可靠性特性； 应用可靠性：元器件交付使用后，由于电路的工作条件、环境条件、人为因素等引 发的可靠性问题；,4.3 LED的失效与什么因素有关？,4.3 LED的失效与什么因素有关？,4.3 LED的失效与什么因素有关？,