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1、 目 录摘 要题目来源1 LED发展状况2 LED相关知识2.1 LED的一般表示2.2 极限参数2.3 光谱图、峰波长和主波长2.4 纯度2.5 色温2.6 光能、辐射通量和光通量2.7 发光强度3 蓝光LED芯片的制作3.1 制作原理3.2 MOVCD制作工艺简介4 半导体发光原理4.1 n型半导体的形成4.2 p型半导体是如何形成的4.3 当pn结加上反向电压时4.4 当pn结加上正向电压时的情况4.5 pn结型二极管的特性4.6 发光本质4.7 发光效率5 当前白光LED的实现和难题6 （白光）LED的制程工艺6.1 点银浆6.2 固晶6.3 焊线6.5 试作7 白光LED的发展前景参
2、考文献前 言LED的发展仅仅过了短短几十年，但它的成长为世人所共睹。它是一门综合的学科。半导体产业在它最初阶段没有人会把它和光学联系在一起。但时至今日，它却也不再仅是一门简简单单的物理学产业，它与光学的知识就像鱼儿与水的光系，紧密相连。当然，这也是当今所有科学产业发展的大势。它环保无污染，性能稳定寿命长，集众多优点于一身。在消费者眼里，它无疑是完美的象征。不过，因为它的小，它的精密，也因为它的年轻，于生产者而言，她却像天上的仙女，想说爱并不容易。从最初的外延片生产到末了的LED成品，一个小小的看不起眼的LED产品，却经历了从外延片到成品检测等数十个生产流程，每一道程序和都至关重要。特别是白光L
3、ED，其材质的特殊要求，决定了它生产过程的与众不同。特别是蓝宝石外延片切割时的困难，对静电的抗击能力相对脆弱，更决定了其在制作上的苛刻要求。摘 要LED，即light emitting diode，也就是我们日常所说的发光二极管。作为当今日新月异变化的科技世界里的一员，能在短短十数年里，便以一日千里的发展速度成长并应用于我们的每一分生活，其成就是有目共睹的。它的年轻，决定了它的发展空间；它遍布全身的优点，成就了它美好的前景。毫无疑问，若干年后的今天，点亮我们夜间五彩生活的将是色彩缤纷的LED。本文从当今LED的发展现状和前景展望着手，通过对发光二极管的电学特性和光学原理方面的学习，探讨LED的
4、在制程过程中的需要注意的相关问题和细节。因为所知有限，一些方面的学习和认识不够深刻，甚至会有认识上的错误，还望老师给予指正。文章第一、二部分讲述题目来由和LED当前概况；第三部分介绍了LED相关简要知识；第四部分大略的述说了LED芯片的制作原理当前业界最流行的制作方式MOVCD；第五部分从光子理论着手，概述了半导体的发光原理；第六部分着重介绍了成品LED的制作流程和工艺细节。关键词：LED，半导体发光二极管，蓝光LED芯片，PN结，发光效率，白光LED制程工艺。LED的白光控制与制程工艺及发展前景之展望毕业设计开题报告一、题目来源出于校外毕业设计和目前所在公司为LED生产企业的考虑，我选择了“
5、LED的白光控制与制程工艺及发展前景之展望”作为我毕业设计之研究课题。二、研究目的和意义 LED，就是我们日常所说的发光二极管。它具有全固体、冷光源、寿命长、体积小、光效高、响应快（只有几十纳秒）、性耐度好等优点。它由19世纪50年代简简单单的硅材料半导体到70年代以GaAs基和Inp基为代表的黄、红光发光管，再到90年代至今以GaN基为代表的蓝、绿光发光二极管，约有50余年的发展史。特别是蓝、绿光的实现，更为LED取代我们目前普遍使用的白炽灯、荧光灯而成为照明主流打开了无限的天地，成为LED发展史上的又一座里程碑。三、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向 目前，LED已全面用于电子产品、广告
6、和路标显示、汽车、航天等科技令域。特别是西方、日本和台湾，其发展更为迅猛。其中白光，更成为LED的竞争焦点。白光LED的能耗仅为白炽灯的1/8，荧光灯的1/2，节约能源，且寿命可长达10万小时，而普通白炽灯寿命约为一千小时，荧光灯、金属卤化物灯的寿命不超过一万小时。白光LED的无汞化，易于回收，益于保护环境。因此各国政府均大力扶持白光LED的发展。美国、欧盟等发达国家皆由政府成立专项，积极推行。日本的“21世纪的光照明计划”，时间是从1998年2002年将耗费50亿日元推行半导体照明，目标是在2006年用白光LED替代50%的传统照明；美国的“国家半导体照明计划”，时间是从2000年2010年
7、，计划投资5亿美元；欧盟的“彩虹计划”，已在2000年7月启动，通过欧共体的资助，推广应用白光LED。目前，世界掌握半导体技术的企业纷纷和老牌照明灯制造商联手，抢占这个未来最大的照明市场。四、主要研究内容需重点研究的关键问题及解决思路 半导体PN结的电致发光机理决定了LED不可能产生具有连续光谱的白光，同时单只LED也不可能产生两种以上的高亮度单色光。因此半导体光源要产生白光，只能通过光的合成。当前白光LED的实现方案主要为三种。一、蓝光LED芯片和可被蓝光有效激发的发黄光荧光粉有机结合组成白光LED。一部分蓝光被荧光粉吸收，激发荧光粉发出峰值为570nm的黄（绿）光，发射出的黄光与剩下的蓝光
8、结合，通过控制其结合强度比，得到各种色温的白光。二、用紫外线激发可被紫外光有效激发，而发射红、绿、蓝三基色的荧光粉而有机结合组成白光。三、将红、绿、蓝三基色芯片或发光管组成一个象素实现白光。以上是当今发展相对较快的三种实现白光的方法。LED的白光控制和生产工艺及发展前景之展望1 LED发展状况LED，即light emitting diode，就是我们日常所说的发光二极管。它具有全固体、冷光源、寿命长、体积小、光效高、响应快（只有几十纳秒）、性耐度好等优点。是当今集固体物理（半导体光子、固体发光）、无机和有机化学和化工、光机电和热传导工程等多学科，多工程于一体的高科技产品。它由19世纪50年代
9、简简单单的硅材料半导体到70年代以GaAs基和Inp基为代表的黄、红光发光管，再到90年代至今以GaN基为代表的蓝、绿光发光二极管，约有50余年的发展史。特别是蓝、绿光的实现，更为LED取代我们目前普遍使用的白炽灯、荧光灯而成为照明主流打开了无限的天地，成为LED发展史上的又一座里程碑。目前，LED已全面用于电子产品、广告和路标显示、汽车、航天等科技令域。特别是西方、日本和台湾，其发展更为迅猛。预估2016年全球相机手机出货量可达2亿支，且闪光灯应为相机手机之标准配备，LED在手机领域将可增加4亿颗的贡献。其中白光，更成为LED的竞争焦点。白光LED的能耗仅为白炽灯的1/8，荧光灯的1/2，节
10、约能源，且寿命可长达10万小时，而普通白炽灯寿命约为一千小时，荧光灯、金属卤化物灯的寿命不超过一万小时。白光LED的无汞化，易于回收，益于保护环境。因此各国政府均大力扶持白光LED的发展。美国、欧盟等发达国家皆由政府成立专项，积极推行。目前，世界掌握半导体技术的企业纷纷和老牌照明灯制造商联手，抢占这个未来最大的照明市场。最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。当时所用的材料是GaAsP，发红光（p=650nm），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明/瓦。 70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（p=555nm），
11、黄光（p=590nm）和橙光（p=610nm），光效也提高到1流明/瓦。 到了80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。 90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在红、橙区（p=615nm）的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（p=530nm）的光效可以达到50流明/瓦。2 LED相关知识这里，先谈谈一些与LED有关的概念性问题。2.1 LED的一般表示2.2 极限参数 (1)最大顺向电流IFM:允许通过LED的最大电流值。超过此
12、值材料可能会被击穿、烧毁。 (2)允许功率m:即发光二极管工作时加在管两端的电压与电流之最大积。超过此值时，LED会被击穿，甚至烧毁。(3)最大反向电压VRM：管端所允许加的最大反向电压。超过此值，材料将被击穿损坏。2.3 光谱图、峰波长和主波长任何物体所发光并非为单一光，我们将各光色之波长与发光强度间的对应关系称为光谱图（如上）。峰波长即为所有光色中光强最大之波长值p。所有的颜色都可以看成是某一光谱色按一定比例与参考光源混合而成，这种光谱色即为主波长。它实际相当于人眼观察到的颜色的色调。2.4 纯度 顾名思义，即各种光色波长接近主波长的程度。颜色的纯度与人眼观察到的颜色饱和度基本一至。2.5
13、 光能、辐射通量和光通量 光能是通量对时间的积分，以辐射的形势发射和传播，用表示，单位lms。而以辐射的形势发射、传播的接收的能量Q除以无穷小时间的商叫辐射通量，用e表示，单位为，即 e=dQ/dt如果在单位时间内发射、传播或接收的辐射能不随时间改变，则上式可简化为eQ/dt而对可见光，光源表面发射、传播和接收的所有可见光谱光能可被无穷小时间间隔来除，则将之定义为光通量v, v=dQ/dt 如果在时间内单位时间发射、传播或接收的光能不变，则上式也可简化为 v=Q/t即可通俗理解为光通量便是单位时间内光源向外界所辐射的能量。光通量的单位是lm。2.6 发光强度 发光强度表示可见光在给定方向上单位
14、立体角元d内总的光通量，即Iv=dv/d 发光强度的单位是坎德拉(cd)。 3 蓝光LED芯片的制作3.1 制作原理发光二极管（LED）是由化合物半导体材料制作而成。超高纯度化合物半导体材料是一种单晶体，由元素周期表中的第和族元素组合而成，如GaAs、GaN、InGaN、AlInGaN等我们常说的三四元芯片。其生长过程首先是将蓝宝石衬底放入昂贵的有机化学汽相沉积炉（简写MOCVD，又称外延炉），再通入含氮、镓、铟的高纯气和有机金属源（如TMGa）。在高温下，高纯气和有机金属源热分解形成原子再通过化学汽相沉积在蓝宝石衬底上，生长出一层厚度仅几微米（1毫米1000微米）的化合物半导体外延层。长有外
15、延层的蓝宝石片也就是常称的外延片。外延片经芯片加工后，通电就能发出颜色很纯的单色光，如红色、黄色、蓝色或绿色。不同的材料、不同的生长条件以及不同的外延层结构都可以改变发光的颜色和亮度。其实，在几微米厚的外延层中，真正发光的也仅是其中的几百纳米（1微米1000纳米）厚的量子阱结构。制作如此细小的物质，其技术的难度、工艺的复杂性可想而知。 然而，由于用来制造氮化镓基蓝光发光二极管芯片（又称管芯，Chips）的晶外延片（简称晶片，Wafer）一般是在以蓝宝石（Sapphire，其主要成分是Al2O3）作衬底材料外延生长而得到的，并且因蓝宝石质地坚硬且是绝缘的，这将导致氮化镓基蓝光发光二极管芯片的制作工艺必将不同于红、黄光等普通发光二极管芯片的制造工艺。通常，发光二极管的整体制作工艺可分为：上游（即发光晶体外延片的制备）、中游（即芯片的制作，主要为切割）和下游（即芯片的检测封装）三个阶段。一般双接垫芯片示意图如下：3.2 MOVCD制作工艺简介反应为一
