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1、LED的發光原理與芯片製造報告者：LED的发展，特别是芯片的发展 LED芯片的结构与发光原理 LED芯片的制造过程 LED的封装与应用 未来的展望报告的主要内容：发光二极管Light-Emitting Diode 是由数层很薄的掺杂半导体 材料制成。当通过正向电流时，n区电子获得能量越过PN结的 禁带与p区的空穴复合以光的形式释放出能量。发光效率 lm/w12.555发光二极管的发展年代发发光颜颜色材料发发光效率lm/w1965红Ge0.11968橙、黄GaAsP11971绿GaP180年代红AlGaAs1090年代初红、黄GaAlInP100 90年代蓝、绿GaInN5090年代蓝GaN20
2、0 LED的发展，芯片的发展可见光LED的发展史发光效率高，节省能源 耗电量为同等亮度白炽灯的 10%-20%，荧光灯的1/2。 绿色环保 冷光源，不易破碎，没有电磁干扰，产生废物少 寿命长 寿命可达10万小时 固体光源、体积小、重量轻、方向性好 单个单元尺寸只有35mm 响应速度快，并可以耐各种恶劣条件 低电压、小电流LED的优点發光二極體產業結構相關廠商Substrate LPE VPE MOVPE單晶材料-GaAs, GaP 磊晶片-GaAs, AlGaAs,GaAsP, AlGaInP 製造設備-LPE, VPE,MOVPE日本: Nichia, Toyota Gosei（丰田合成 ）
3、 美国: Lumileds, Cree 欧洲: Osram 台湾:晶元,元砷,廣鎵,華上 大陆: 三安,聯創,路明,.上游材料Diffusion Photolithography Metallization Dicing*發光二極體晶粒*光二極體晶粒*光電晶體晶粒中游製程晶 粒Die-Mount Wire-Bond Encap Final Test下游封裝LED Lamp SMD LED Chip LED IRLED Back Light Light SourceCluster Lamp Clock Display Dot Matrix 7-Segment Numeric Display Ph
4、otocoupler產 品光寶 億光 興華 今台 佰鴻 先益 光鼎 李洲 立基 琭旦 华郎 伊莱 三永 茂纶 日本: Nichia, Toyota Gosei 美国: Lumileds, Cree 欧洲: Osram 台湾:晶元,光磊,元砷,廣鎵,華上,燦圓, 大陆: 三安,聯創,路明,.能源问题已成为当今人类社会的热门话题，节约能源与环保问 题日趋提上议程。节能应成为各国的城市照明建设需要考虑的重 要问题之一，目前约有21%的电源用于照明，如果能在固体照明 领域节省一半的能源，则会对人类的节约能源作出巨大的贡献。20世纪中叶出现在市场上的第一批LED产品，经过50多年的发 展历程，在技术上已
5、经取得了长足的进步。现在，LED的平均发 光效率已达到了70lm/W（流明/瓦特），其光强已达到了烛光级， 辐射光的颜色形成了包含白光的多元化色彩，并且寿命可达到数 万小时。特别是在最近几年，LED的产品质量提高了近10倍，而 制造成本已下降到早期的十分之一。这种趋势还在进一步的发展 之中，从而使LED成为信息光电子新兴产业中极具影响力的新产 品。世界各个国家均积极参与研发工作。光子与电子基本上具有三种交互方式：吸收，自发放射及激发放射。 原子的两能级E1和E2，E1代表基态，E2代表第一激发态。 在E1基态的原子吸收光子后跃迁至激发态E2，此能态的改变为吸收； 激发态原子非常不稳定，经过很短
6、的时间，不需任何外力下会跳回基态而释放 出光子，此程序为自发放射； 当光子照射在激发态原子上，该原子被激发跃回基态而放出与照射原子同相释 放光子，此程序称为激发放射。 LED芯片的发光原理LED在内部结构上有和半导体二极管相似的P区和N区，相交界面形成PN结。 LED的电流大小是由加在二极管两端的电压大小来控制的。 LED是利用正向偏置PN结中电子与空穴的辐射复合发光的，是自发辐射发光， 发射的是非相干光。 P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP- GaAs光输出双异质结半导体发光二极管的结构示意图 反型异质结同型异质结理论和实践证明，光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽 度g
7、有关， 即1240/Eg（mm） 式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光780nm 红光），半导体材料的Eg应在3.261.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。 现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管。LED PN结的电性质一般短波長紅外光 高亮度長波長紅外光可見光不可見光LED波長 450780nm光波長 8501550nm 850950nm发光材料由图可知，这些材料的发光范围由红光到紫外线。 照明领域使用的LED有两大类，一类是磷化铝、磷化镓和磷化铟的合金（AlGaInP或 AlInGaP），可以做成红色、橙色和黄色的LED；另一类是氮化铟和氮化镓的合
8、金 （InGaN）,可以做成绿色、蓝色和白色的LED。发光材料大部分是-族。-族及-族元素的带隙与晶格常数的关系图（a）是直接带隙材料，包括GaN-InN-AlN、GaAs、InP、InAs及GaAs等 图（b）是间接带隙材料，包括Si、Ge、AlAs及AlSb等 目前发光二极管用的都是直接带隙的材料。(a)直接带隙(b)间接带隙BlueGreenYellowOrangeWhiteRedAmberW = White (GaN) (x=0.32/y=0.31)B = Blue (InGaN) 470nmV= Verde-Green (InGaN) 505nmT= True Green (InGa
9、N) 525nmP = Pure Green (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 (I
10、nGaN) (x=0.32/y=0.31)Colour triangleCIE色度图芯片的结构与发光效率芯片的内部结构： u采用量子阱活性层就可以增加发光效率 u用光子循环的方法增加内部量子效率 u电流扩散层：降低串联电阻，使加于LED上的电流扩散开 u电流局限层 ：使电流流不到在电接触区下的量子阱区，防止只在电极附近发光。 u透明衬低或反射镜 ：分布式布拉格反射镜（DBR ）芯片的外部结构： u半圆形球面 ：一般的平面LED光因临界角被限制不易射出，所以采用半圆形球面，使光不受临界角的限制射出。 u表面织状结构或粗糙面：增加光输出 u几何形状改变的结构：增加光输出 u衬低上有高反射镜 ：全方
11、向高反射率反光镜LED（ODR: Omnidirectional Reflector）。在同一窗口层厚度时，ODR LED的光取出效率比DBR LED要高很多。MQW LED 结构图当LED的发光区厚度d小于电子或者空穴之物质波长l时，能带开 始不再是连续，而形成量化的能级，可提高电子和空穴结合机会， 提高量子效率。而且能级量化，能隙变大，发光波长往短波长移 动，发光时接近间接能隙而降低量子效率的困扰。 台湾工研院光电所用ITO层制作的微电流散布层厚的窗口层可以增加电流的均匀分布，但厚的窗口层不易制作而且价格 昂贵。增加一层电流扩散层，可降低串联电阻，使加于LED上的电流扩散开， 提高发光效率
12、。以前很多采用Ni /Au层的，现在主要使用ITO层。东芝公司用N局限层在P电接触区减少不发光区电流的分布以增加效率一般电流局限层（CBL）都是间接做在P极下，CBL层很多用 SiO2做成，其目的是使电流流不到在电接触区下的量子阱区，防 止只在电极附近发光。半圆形球面封装LED多方向高反射率反射镜LED结构多方向高反射率反射镜的结构全方向高反射率反光镜LED （ODR: Omnidirectional Reflector）。 同一窗口层厚度时，ODR LED的光 取出效率比DBR LED要高很多。在金属与半导体之间有SiO2加上 许多小杆壮电接触，全部约占1%截顶金字塔结构LEDLED不同结构
13、不同的光取出日亚公司1993年首创的蓝光 LED芯片结构HB LED ChipStructure of HB LEDSubstrate:GaAs, GaP, Sapphire, SiC, Metal Active Layer: QW or DH(AlGaInP or InGaN) DBR(AS only): AlAs/AlGaAs, AlGaInP/AlInP Cladding: AlGaInP, AlInP, AlGaN Window Layer: InxGaP, GaP, AlGaAs, ITO, TCL LED芯片的制造技术u首先在衬低上制作各種相關基底的外延片，这个过程主要是在金属有机
14、 化学气相沉积外延炉中完成的。准备好制作基底外延片所需的材料源和各种 高纯的气体之后，按照工艺的要求就可以逐步把外延片做好。 u接下来是对LED PN结的两个电极进行加工，电极加工也是制作LED芯片的 关键工序，包括清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨；然后对LED毛片 进行划片、测试和分选，就可以得到所需的LED芯片。 LED制作流程分为两大部分：制作LED外延片的主要方法：l气相外延（VPE）：材料在气相状况下沉积在单晶基片上，这种生长单晶薄 膜的方法叫气相外延法，气相外延有开管和闭管两种方式 。 l液相外延（LPE）：将用于外延的材料溶解在溶液中，使达到饱和，然后将 单晶基片浸泡在这溶
15、液中，再使溶液达到过饱和，这就导致材料不断地在基片 上析出结晶。控制结晶层的厚度得到新的单晶薄膜。 l分子束外延（MBE）：在超高真空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热 而产生的蒸气，经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当温度的 单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可使分子或原子按晶体排列一层 层地“长”在基片上形成薄膜。 l等离子体增强化学气相淀积(PECVD) ：是利用高频在两平板电极之间激发气 体放电形成等离子体，高化学活性的反应物可使成膜反应在较低温度下进行。 l金属有机化合物气相外延（MOCVD）：在气相外延生长（VPE）的基础上发 展起来的一种新型汽相外延生长技术。
16、它采用族、族元素的有机化合物 和族元素的氢化物等作为晶体生长原料，以热分解反应方式在衬底上进行 汽相外延，生长各种-族、-族化合物半导体以及它们的多元固溶体的 薄膜层单晶材料。常用的衬底主要有蓝宝石、 碳化硅和硅衬底，还有 GaAs、AlN、ZnO等材料。MOCVD通过控制温度、 压力、反应物浓度、族 的有机金属和族比例， 从而控制镀膜成分、晶相 等品质。MOCVD外延炉 是制作LED外延片最常用 的设备。利用熔合设备将蚀刻好的晶片 放入该项设备，一段时间，使 蒸镀金属层之间或蒸镀金属与 磊晶片表层原子相互熔合，目 的形成ohmic.contact.利用化学药水，通常是酸性药 水，将发光区裸露的金属层蚀 刻掉。 依晶片的晶粒晶格大小图案， 作
