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1、LED 显示屏中所用的蓝色与绿色芯片解析显示屏中所用的蓝色与绿色芯片解析转载：中国转载：中国 LED 显示屏网显示屏网 LED 的工作原理是在正向导通的情况下，注入二极管 P/N 节区的电子和空穴相遇复合，将 电势能转换为光能。所发出光子的波长（也就是光的颜色）是由半导体的能带宽度决定的， 通俗地讲，半导体能带宽度越宽，发出的光子能量越大，对应的波长越短，简单的换算关 系是：（nm） 。当前蓝、绿光 LED 器件的材料基础是 III 族氮化物半导体，也就是 GaN 为 主，InN、AlN 为辅的四元 AlGaInN 合金体系， 目前，绝大部分蓝、绿光 LED 芯片的量子阱发光层材料是由 Inx
2、Ga1-xN 合金和 GaN 组成 的，由于 InxGa1-xN 合金的能带宽度随着 InN 的比例 x 变化，可以在 3.4eV（对应 GaN 的 能带宽度）和 0.7eV（对应 InN 的能带宽度）调整，所以理论上这个材料体系可以覆盖整 个可见光光谱区域。 但是，目前的材料制备技术是基于 GaN 晶体的外延层生长技术，只能生长含 InN 组份较低 的合金材料。InxGa1-xN 合金在 InN 的组份 x15%以后，晶体质量急剧下降。实际上，目 前工业界的技术水平通常做到蓝光芯片的电光转换效率大约是绿光的 2 倍，就是因为前者 的 InN 组份远小于后者，绿光器件中 InN 的组份估计已经
3、在 30%以上（InGaN 合金材料精 确组份的测定目前在学术界还是一个疑难科学问题） 。也就是说，目前的技术还很难通过继 续增加 InN 的组份，使得 InGaN 合金器件能高效率地发出红光。但值得庆幸的是，早在上 个世纪 90 年代，III 族磷化物体系（也通常表述为四元体系，AlGaInP）已经成为红、黄光 LED 器件成熟的材料基础。这两个材料体系的基本物理特征以及其所含元素在周期表中的 位置。 III 族氮化物半导体材料目前工业化制备是通过金属有机物化学气相沉积（metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD）来实现的。该技术的基本原理是通
4、过在密闭化学反应腔 中引入高纯度的金属有机源（MO 源）和氨气（NH3） ，使其在加热的衬底基板（一般选择 蓝宝石做衬底）上生长出高质量的晶体。基本化学反应式是：Ga（CH3） 3+NH3GaN+CH4.通常 GaN 晶体是六方状的纤锌矿结构，基本的物理特性如表 2 所示。 需要特别指出的有两点： （1）GaN 的能带宽度在常温 300K 时，等于 3.39eV,是非常难得的宽禁带半导体材料，如 果发光，对应的光子波长应该是，属于紫外光； （2）GaN 的 p-型掺杂非常困难，目前可以达到的载流子浓度比 n-型掺杂低将近两个数量 级，电阻很大。这个特性对其器件的设计提出了特殊的要求，这一点在随
5、后介绍 LED 器件 结构时将提到。GaN 与它同族的 AlN 和 InN 的物理属性差异非常显着，表 3 给出了具体的 比对。在晶体生长过程中，GaN 晶体的取向和蓝宝石衬底的晶面选择有着密切关系。当前， 工业化生长 GaN 晶体一般都取 c-面的蓝宝石作为衬底基板，GaN 晶体生长与衬底晶体取 向会保持一个固定的配位关系（这也就是“外延”的意思） 。GaN 外延片表面是晶体的六方密 排 c-面，晶体的生长是沿着 c-轴逐层原子堆积而成的，也就是 c-轴方向成长。 GaN 基 LED 外延片的基本结构是在蓝宝石衬底上依次生长：（1）GaN 结晶层；（2）n- 型 GaN（实际生产中一般先长一
6、层非故意掺杂的 n 型 GaN） ； （3）InGaN/GaN 多量子阱发光层； （4）p-型 GaN.为了获得高性能的器件，整个外延生长过程的各项参数都要得到优化并且 精确控制，其中对发光效率影响最大的结构是 InGaN/GaN 多量子阱发光层。p 和 n 型材料 的掺杂元素通常为 Mg 和 Si,Mg 通过替代 GaN 中的 Ga 原子（Mg 比 Ga 少一个外围电子） ， 形成一个空穴载流子，Si 通过替代 Ga 原子，形成一个电子载流子（Si 比 Ga 多一个外围电 子） 。一般整个器件的外延层厚度范围在 48m,平均生长速度大约 1m/小时，因此完成一次器件的生长大约需要 8 小时。
7、 完成 MOCVD 外延生长后，需要通过一系列的光罩图形处理和物理刻蚀或沉积工艺制备 GaN 基 LED 芯片。普通蓝、绿光 LED 芯片的基本结构，需要在外延片上依次做如下器件 加工： （1）刻蚀局部区域露出 n-型 GaN 导电层； （2）蒸镀透明导电薄膜 NiAu 或 ITO; （3）蒸镀焊线电极，包括 p 电极和 n 电极； （4）蒸镀钝化保护层。芯片加工过程需要严格管理质量，避免出现类似焊盘机械黏附力不 足、表面异物污染等容易导致器件在封装使用过程失效的问题。此外，芯片随后还需要做 衬底减薄、物理切割分离、测试、分选，最后获得光电参数一致的芯片成品。由于 GaN 基 LED 芯片衬底
8、蓝宝石是绝缘体，芯片通过上表面的两个+/-电极与金属焊线连接来导电。相比而言，目前普通 GaAs 衬底的红光芯片还是通过导电胶使衬底与支架之间形成导电通 道，工艺控制导电胶的物理黏结强度对封装断路失效控制就显得特别重要。 蓝、绿光蓝、绿光 LED 芯片光电参数特征芯片光电参数特征 1、I-V 关系曲线 蓝、绿光 LED 芯片通常在正向加压 2.4V 左右时开始导通，工作电流 20mA 下电压 Vf 的范 围一般是 3.03.4V（对于 1414mil2 见方的芯片尺寸， ） ，较高的工作电压是由 GaN 半导体 的禁带宽度决定的。 2.2 环境温度对光电特性的影响 一颗普通结构 1414mil
9、2 绿光 LED 芯片在不同环境温度下的特性变化曲线。当环境温度从20上升到 80时，显示绿光 LED 的发光波长发生明显漂移，从 522nm 红移到 527nm;显 示发光亮度降低了 25%;显示工作电压从 3.23V 降到 2.98V。 随着环境温度的升高，发光波长红移以及工作电压下降都是由于半导体禁带宽度缩小导致 的。但是，由于 GaN 体系的材料禁带宽度大，可以容忍的环境温度上限比其它材料有非常 明显的优势。实验发现，在 150环境温度下，GaN 基的蓝、绿光 LED 器件还可以发光， 只是效率大大降低了。但是，另一方面，对于此类普通结构的芯片，蓝光的电光转换效率 在 2030%之间；
10、绿光明显更低，一般只有 1020%.电能除了少部分转变成光能外，其它都 产生热，这些热能对于微小的晶片面积来说是很大的负担。因此，在芯片封装使用时，需 要特别注意做好芯片的散热通道设计，从而确保芯片能稳定可靠地工作。 2、工作电流密度对波长的影响 普通 1414mil2 绿光 LED 芯片发光波长随工作电流变化的曲线。随着电流密度的增大，绿 光芯片发光波长从 534nm（2mA 下测试）蓝移到 522nm（30mA 下测试） 。实际上蓝光芯 片也有类似的蓝移趋势，只是幅度比绿光芯片小，这个特性对设计使用芯片的工作条件非 常重要。为了避免颜色随亮度变化而发生漂移，调节亮度的方式一般选择改变脉冲宽
11、度， 而不是改变电流强度。 为发光层量子阱工作的基本原理示意图。电子-空穴复合生成光子的能量决定了发光波长， 而光子的能量是由束缚在量子阱的电子-空穴对的势能决定的。实际上，芯片从 2mA 增加 到 30mA 电流的过程中，量子阱中电子-空穴对的势能发生了两个非常重要的变化：先是屏 蔽了量子阱内建电场，使得导带和价带距离增大；然后载流子填充效应使得电子-空穴对之 间的势能进一步增大，而增大的电子-空穴对势能转变成的光子对应的波长将变短，这一点 可以从前述波长和能量的换算关系推得。 技术发展历程中的关键阶段技术发展历程中的关键阶段 1、p-n 结 GaN 二极管关键技术突破阶段（19701993
12、 年）早在 1970 年代，美国科学家 J.Pankove 等人就已经发现 GaN 是一种良好的宽禁带半导体发 光材料，并且成功制作了能发出蓝光的 GaN 肖特基管。但是，随后的十几年里，科学家们 的努力研究一直没能突破制备 p-型 GaN 材料的难关。直到 20 世纪 80 年代末期，日本科学 家 Akasaki 和 Amano 发现，可以先在异质衬底上沉积 AlN 结晶层，然后能够实现 MOCVD 外延生长表面平整的 GaN 单晶薄膜材料。在此基础上，他们又发现可以通过电子束激活 Mg 掺杂的 GaN 材料中的空穴载流子，实现 p-型 GaN 材料的制备，这是 GaN 基 p-n 结发 光
13、二极管最为关键的基础技术突破。随后，GaN 基 LED 技术从研究院所的实验室走进了 工厂。日本 Nichia（日亚）公司的科学家 Nakamura15,16实现了采用 GaN 结晶层实现高 质量的外延层 MOCVD 生长，很快又发现可以通过热退火的方式激活 Mg 掺杂的 GaN 实现 p 型导电。作为这一系列突破的成果，1993 年 Nichia 公司成功实现了商业化生产 GaN 蓝 光 LED. 2、内量子效率提升阶段（19932000 年） 在成功实现了商业化生产蓝光 LED 后，学术界和产业界对该领域的许多关键物理课题投入 了极大的研究热情。核心问题之一就是如何提高蓝光 LED 芯片的
14、 InGaN/GaN 量子阱内量 子效率，也就是如何提高电光转换效率。许多研究单位和企业的 MOCVD 设备被用于试验 优化生长条件，提高 InGaN 量子阱的晶体质量；同时还有很多新的器件结构设计也被尝试 以提高载流子的注入效率和复合效率。在这阶段，新的研究发现主要促成了两大成果： （1）绿光 LED 的商用化（1995 年17） ；（2）蓝光 LED 效率得到了成倍提升。 3、内、外量子效率同时提升阶段（2000 年至今） 在蓝、绿光 LED 性能显着提高的基础上，它们得到了大规模的商用化，特别是在移动电话 背光源，全彩广告看板等应用领域。基于商业利益的刺激，提高发光效率成了企业间的生 死
15、时速竞赛，这在中国台湾地区、韩国以及中国大陆地区显得尤为激烈。在很多企业短时 间无法显着提高内量子效率的情况下，这些新进入者开始大胆尝试在出光效率上做文章， 也就是提高外量子效率。主要突破点在于：（1）用 ITO 导电薄膜替代金属半透过膜 NiAu, 透过率提高了约 25%,也就是亮度提高了 25%;（2）通过在外延层表层生长 V 型坑缺陷，使 得表面全反射被打破，从而显着提升取光效率；（3）通过利用表面粗化的蓝宝石衬底片， 打破 GaN/蓝宝石的全反射界面，也实现了显着提升取光效率的效果。这些方法在引入初期 均导致了器件其它光电性能的严重牺牲，比如衰减严重、易产生漏电、静电防护能力弱等 等。
16、但是，随着企业研究人员的工程技术进步，各种特性逐步得到改善，同时，对外延材 料特性的进一步认识也促进了内量子效率持续的提升。作为结果，在这一阶段，蓝、绿光 LED 发光效率都得到了成倍的提升，最新的研究结果表明，蓝光 LED 在优化内、外量子 效率的情况下，可以实现 50%的电光转换效率。 技术发展趋势展望技术发展趋势展望 通过外延材料制备技术的提高和器件物理结构设计的优化，蓝、绿光 LED 技术在过去 20 年里取得了令人瞩目的发展。同时，归功于性能的不断提升以及成本的快速下降，应用领 域和规模也得到了极大的发展。但是，展望未来更富有挑战性的通用照明新领域，LED 技 术更进一步的突破是必须的。这一次的突破将更为集中地围绕如何降低 LED 的使用成本， 关键有三个发展方向：（1）降低器件的制造成本；（2）提高器件的电光转换效率；（3） 提高器件的输入功率。 1、降低器件的制造成本 LED 器件的制造成本相对硅基器件而言还是很高的，这主要是由于该产业的规模以
