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1、eecd5278c390c3cfd06e2c9715817f4d.pdf - 1 - 1 -半导体发光二极管基本知识自从 60 年代初期 GaAsP 红色发光器件小批量出现进而十年后大批量生产以来，发光二极管新材料取得很大进展。最早发展包括用 GaAs1-xPx 制成的同质结器件，以及GaP 掺锌氧对的红色器件，GaAs 1-xPx掺氮的红、橙、黄器件，GaP 掺氮的黄绿器件等等。到了 80 年代中期出现了 GaAlAs 发光二极管，由于 GaAlAs 材料为直接带材料，且具有高发光效率的双异质结结构，使 LED 的发展达到一个新的阶段。这些 GaAlAs 发光材料使 LED 的发光效率可与白
2、炽灯相媲美，到了 1990 年，Hewlett-Packard 公司和东芝公司分别提出了一种以 AlGaIn 材料为基础的新型发光二极管。由于 AlGaIn 在光谱的红到黄绿部分均可得到很高的发光效率，使 LED 的应用得到大大发展，这些应用包括汽车灯（如尾灯和转弯灯等） ，户外可变信号，高速公路资料信号，户外大屏幕显示以及交通信号灯。近几年来，由于 CaN 材料制造技术的迅速进步，使蓝、绿、白 LED 的产业化成为现实，而且由于芯片亮度的不断提高和价格的不断下降，使得蓝、绿、白 LED 在显示、照明等领域得到越来越广泛的应用。本课程将介绍 LED 的基本结构、LED 主要的电学、光度学和色度
3、学参数，并简单介绍 LED 制造主要工艺过程。1. 发光二极管（Light Emitting Diode） 的基本结构图是普通 LED 的基本结构图。它是用银浆把管芯装在引线框架（支架）上，再用金线把管芯的另一侧连接到支架的另一极，然后用环氧树脂封装成型。组成 LED 的主要材料包括：管芯、粘合剂、金线、支架和环氧树脂。1.1 管芯事实上，管芯是一个由化合物半导体组成的 PN 结。由不同材料制成的管芯可以发出不同的颜色。即使同一种材料，通过改变掺入杂质的种类或浓度，或者改变材料的组份，也可以得到不同的发光颜色。下表是不同颜色的发光二极管所使用的发光材料。 图普通 LED 基本结构图表 不同颜色
4、的发光二极管所使用的发光材料发光颜色 使用材料 波长eecd5278c390c3cfd06e2c9715817f4d.pdf - 2 - 2 -Emison Area0.254N ElectrodP lctdGpiLyra Subst普通红 磷化镓 （GaP） 700高亮度红 磷砷镓 (GaAsP) 630超高亮红 镓铝砷 (GaAlAs) 660超高亮红 镓铟铝磷 (AlGaInP)625-640普通绿、黄绿 磷化镓 （GaP） 565-572高亮绿 镓铟铝磷 (AlGaInP)572超高亮绿 氮化镓 ( InGaN )505-540普通黄、橙 磷砷镓 (GaAsP) 590,610超高亮黄
5、、橙 镓铟铝磷 (AlGaInP)590-610蓝 氮化镓 ( InGaN )455-480紫 氮化镓 ( GaN ) 400,430白 氮化镓+荧光粉 460+YAG红外 砷化镓 (GaAs) 780图是 LED 芯片图形。多数管芯正面为 P 面，连接到电源的正极，背面为 N 面，连接到电源的负极（(GaAlAs 芯片正面为 N，背面为 P；以蓝宝石衬底的蓝、绿芯片 P、N 都在正面)。约在管芯2/3 高处，是 P 区和 N 区的交界处，称 PN 结。当有电流通过 PN 结时产生发光，发光颜色取决于芯片材料，而发光强度除了和材料有关外，还和通过 PN 结电流的大小以及封装形式有关。电流越大，
6、发光强度越高，但当电流达到一定程度时出现光的饱和，这时电流再增加，光强不再增加。1.2 粘合剂粘合剂的作用是把管芯粘在支架的反射杯上，一般使用导电银浆作为粘合剂，但对于蓝宝石衬底的芯片，因两个电极都在正面，因此使用绝缘胶作为粘合剂。银浆有单组份和双组份两种，目前使用的银浆大都为单组份银浆，这种银浆必须在低温下保存。粘合剂的性能对制品的可靠性及透光效果有直接影响，因此，必须根据实际情况，选择合适的粘合剂，并注意应在规定的期限内使用。1.3 金线金线的作用是把管芯的电极连接到支架上。主要有 25m 和 30m 两种规格，一般场合使用 25m 金线，对于通过电流较大，可靠性要求较高的场合，则使用ee
7、cd5278c390c3cfd06e2c9715817f4d.pdf - 3 - 3 -30m 金线。1.4 支架支架也即 LED 的外引线,一般使用基体为铁并镀银的支架，但有时为了提高制品的散热性能，则使用基体为铜的支架，当然，其材料成本也相应增加。1.5 环氧树脂LED 采用环氧树脂作为封装材料。环氧树脂的性能对 LED 的光电特性尤其是可靠性有很大影响。它的选择必须充分考虑其可靠性、出光效果、工艺可行性及价格等。目前国内较常用的是台湾产的 EP 系列环氧树脂，而我公司外加工线则较多使用日本产的 502、512、514 等树脂。502 树脂的流动性较好，但出光效果较差，512 树脂的出光效
8、果好，但粘度较高，工艺可行性差，可靠性也较差，514 树脂的最大优点是耐热性能好，因此，常用于可靠性要求较高的制品。树脂分为主剂和硬化剂两部分，有的树脂在主剂中加入了颜料，因此得到了各种颜色的主剂，而大多数树脂主剂出厂时是一种淡蓝色的液体，封装时根据需要加入不同颜料，硬化剂是一种无色透明的液体。在树脂中加入适量的散射剂可以提高发光的均匀性，增大散射角，但同时法向发光强度降低。2. LED 的主要技术参数2.1 电学参数2.1.1 正向压降 指每个 LED 通过的正向电流为规定值时，正、负极之间产生的电压降，用符号 VF表示。由不同材料制成的 LED 具有不同的 VF值。此外电极材料的选择以及电
9、极制造过程工艺条件的控制也对 VF值有着重要影响。组装过程影响 VF值的因素主要是银浆的质量。银浆过期变质，使用双组份银浆时搅拌不均匀都可能造成 VF值增加。2.1.2 反向漏电流 是指给 LED 加上规定的反向电压时，通过 LED 的电流，用符号 IR表示。正常的 LED，I R值应接近 0。反向漏电流的产生除了和管芯本身的质量有关外，还和组装时管芯安放状态有关。银浆粘污 PN 结和管芯崩裂是造成漏电的最主要因素。当银浆沾污 PN 结时，好像有一个电阻并联到结上，形成漏电通路，从而产生漏电。管芯崩裂是因为安放管芯时设备顶针位置调校不当，使管芯受损从而产生漏电，由于管芯崩裂现象镜检时较难发现且
10、由此造成的漏电现象呈不稳定状态，使得在成品检测时易出现漏判，成为影响产品质量的一大隐患。eecd5278c390c3cfd06e2c9715817f4d.pdf - 4 - 4 -2.2 光度学及光度学参数2.2.1 能量的辐射分布光源的总辐射能量是各种波长能量之和，波长不同能量也不同。我们称发光器件的辐射能量随波长而变化的情况为发光器件辐射能量的光谱分布，以 P 表示。发光器件在 1 和 2 范围内的辐射功率可表示为：P1P2 = Pd (1 )P 是一个相对的分布函数。光谱分布的两个主要参数是它的峰值波长和光谱带宽。（1） 峰值波长 p峰值波长 p 是指光谱强度最大处的波长, 它可以由光谱
11、图很容易地确定。图是 CaN 绿色 LED 的光谱曲线, 由曲线可见, 其峰值波长是 505 nm。 （2） 半波宽度 0.5 半波宽度 0.5由 p 两边的两个波长 0. 5 - 0. 5 求得： 0. 5 = 0. 5 - 0. 5 (2) 图 CaN 绿色 LED 的光谱曲线2.2.2 辐射度量及单位 辐射度学是有关某一给定辐射体的光辐射能量或功率的, 光谱涉及从紫外光到红外光的整个范围, 与人眼对亮度和颜色的灵敏度无关。12 ” ”负责人 eecd5278c390c3cfd06e2c9715817f4d.pdf - 5 - 5 -基本的辐射度参数有 4 个：（1）辐射通量或辐射功率辐射
12、功率 P 定义为一个光源在单位时间内发射的总功率：P = （3）辐射功率的单位为瓦特（W） 。（2） 辐射强度辐射强度 J 定义为单位时间、单位立体角内发射的功率：J =（4）J 的单位是：瓦/球面度 （W/Sr）这里的立体角就是以点光源为顶点的一个封闭锥体的锥角，其大小等于锥体底面积 A 与锥体的斜边边长 r 的平方成之比，即：d = （5）（3） 辐射照度落在单位面积上通量的数值，称为辐射照度 H。H = ( 6 )dp 是落在元表面上的通量值。辐射照度 H 用瓦/平方米（W/m 2）作单位。由以上公式可推得某一点光源的辐射强度 J 和辐射照度之间的关系：H = = = J/r2 (7)(
13、4) 辐射亮度考虑辐射源上表面 d，以此为顶点的立体角内 d 内的辐射通量为 dp，d的轴线 v 与 dA 的法线 n 成 角，如图（4）所示。dp 与 d 及 d 在 v 方向的有效截面积 dcos有关，即：dp = Rdcosd （8）或：R = （9）图 dQedtdPddr2ddPdPdJdddpdcos deecd5278c390c3cfd06e2c9715817f4d.pdf - 6 - 6 -R 就称为面辐射源在角 所决定方向 v 上的亮度，也就是在给定方向上单位有效截面积在单位立体角内的辐射通量值。R 的数值与辐射面的性质有关，并且随给定方向而改变，通常以 W/Sr 为单位。2
14、.2.3 光度量及单位2.2.3.1 视见函数对于可见光的辐射通常采用光度学的量来描述。为此，必须首先了解视见函数。一般发光器件的辐射都不是单色光，各有一定宽度的光谱分布曲线，人眼对各种波长的辐射的灵敏度是不同的，它不能感觉到红外线和紫外线，只能感受从380760 nm 范围的可见光，而且在可见光中对各种波长的光的响应程度也是不同的。我们把人眼响应随波长而变化的函数关系称为视见函数，用 V（）表示。度量辐射能的各个量是仅与客观条件有关的物理量，但光度学的量不仅与客观条件有关，而且还与人的视见函数有关。在辐射度学中引入的各个量，乘上一个与视觉有关的比例系数即视见度 K，就得到光度学中的各个量。2.2.3.2 光度学参数(1) 光通量假定某辐射体发出的光线是波长为 的单色
