第七章LED发光二极管课件.ppt

1、发光二极管（发光二极管（LED）LED的发展LED发光原理LED芯片的制造过程LED的封装与应用未来的展望主要内容： 能源问题已成为当今人类社会的热门话题，节约能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，目前约有明建设需要考虑的重要问题之一，目前约有21%21%的电源的电源用于照明，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。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

2、LED产品，经过50多年的发展历程，在技术上已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。 发光二极管发光二极管Light-Emitting Diode 是由数层很薄的掺杂半导体是由数层很薄的掺杂半导体材料制成。当通过正向电流时，材料制成。当通过正向电流时，n区电子获得能

3、量越过区电子获得能量越过PN结与结与p区的空穴复合以光的形式释放出能量区的空穴复合以光的形式释放出能量。 发光效率发光效率 lm/w12.555发光二极管的发展发光二极管的发展LED的发展，芯片的发展可见光LED的发展史 白炽灯通常只讲瓦数而不讲流明数，白炽灯最常用的瓦数有15瓦、30瓦、45瓦、60瓦、75瓦和100瓦等。寿命长寿命长, ,理论上为10万小時，一般大于5万小時（是荧光灯的10倍）发热量低，耗电量小发热量低，耗电量小, ,白炽灯的1/8,荧光灯的1/3）体积体积小小, ,重量重量轻轻, ,可封装成各种类型，目前市面上最小的芯粒只有150um大小坚坚固耐用固耐用, ,不怕震不怕震

4、动动。环氧树脂封装，防水，耐恶劣环境使用多色多色显显示示, ,利用RGB可实现七彩色显示工作工作温温度度稳稳定性好定性好 散热好响应时间响应时间快快, ,一般一般为为毫微秒毫微秒(ns)(ns)級級冷光冷光，不是熱光源不是熱光源電電压压低低, ,可以用太陽能電池作電源可以用太陽能電池作電源什么是发光二极管概念：概念：半导体发光二极管是一类发射波长覆盖了可见光、红外到远红外，结构较简单的半导体发光器件。 （通常发光二极管是指发射可见光的二极管，发光光谱为390-760nm，为人眼所见。）一般一般短波長紅外光短波長紅外光 高亮度高亮度長波長紅外光長波長紅外光可見光可見光不可見光不可見光LED波長4

5、50780nm光波長8501550nm850950nm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

6、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 LED的工作原理 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有关，即 1240/Eg（nm） 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材料的选择 若要半导体材料发出的光为人眼所见，则禁带宽度应为1.63-3.2eV之间，在此能量范围之内

7、，带隙为直接带的III-V族半导体材料只有GaN等少少数材料。 解决这个问题的一个办法是利用III-V族的二元化合物组成新的三元或四元III-V族固溶体，通过改变固溶体的组分来改变禁带宽度与带隙类型。举例 由两种III-V族化合物（如GaP和GaAs、GaP和InP）组成三元化合物固溶体，它们也是半导体材料，并且其能带结构、禁带宽度都会随着组分而变化，由一种半导体过渡到另一种半导体。 若以GaPxAs1-x为发光材料，则必须x0.45，以确保其能带结构为直接带隙。X的取值的取值GaPxAs1-x禁带宽度禁带宽度波长与颜色波长与颜色x=0.2GaP0.2As0.81.66eV=747nm红色X=

8、0.35GaP0.35As0.651.848eV=671nm橙色 由此可见，调节X的值就能改变材料的能级结构，即改变LED的颜色。此即所谓的能带工程。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BlueGreenYellowOrangeWhiteRedAmberW = White (GaN) (x=0.32/y=0.31

9、)B = Blue (InGaN) 470nmV= Verde-Green (InGaN) 505nmT= True Green (InGaN) 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) 645nms00,10,20,30,40,50,60,70,80,900,10,20,3

10、0,40,50,60,70,8bluegreenredyellowwhiteB = Blue (GaN) 466nmW = White (InGaN) (x=0.32/y=0.31)Colour triangle CIE色度图色度图LED产业分工.利润特点利润特点.资源需求资源需求LED芯片的制造技术u首先在衬低上制作各种相关基底的外延片，这个过程主要是在金属有机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

11、、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：制作制作LED外延片的主要方法外延片的主要方法：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

12、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。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

13、。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，目的形成欧姆接触.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，作第一次切割，目的是为方便往后的晶粒点测。 LED的测量参数：评价LED要涉及到很多技术指标（参数），其主要的技术指标包括：u输入参数为电量的各项指标，即电学指标； 主要有：正向电压VF，正向电流VI，反向漏电流IR，工作时的耗散功率PD。在高频电路中，还要考虑：结电容Cj和响应时间。u输出参数为光学的指标，也含光的强弱和波长等各项指标；u代表输入与输出之间电光转换效率的指标；主要有：光功率效率，流明效率。u与LED器件性能有关的热学指标。主要有：热阻Rth，储存环境温度与工作温度。还有其他的如：防静电指标，失效率和寿命等。发光二极管的应用LED在未来五年最大的应用领域将会是在LCD的背光源和LED的平民化照明应用。发光二极管应用概况发光二极管的应用发光二极管的应用发光二极管的应用花旗银行大厦发光二极管的应用发光二极管的应用发光二极管的应用发光二极管的应用发光二极管的应用发光二极管的应用发光二极管的应用