白光LEDs和半导体物理学课件.ppt
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- 白光 LEDs 半导体 物理学 课件
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1、大功率白光二极管研究 -专业课论文白色白色LEDs大爆发,普及元年即将到来!大爆发,普及元年即将到来!日亚化学工业 2019年6月开始供应100lm/w的白色LEDs样品 12月已经投入量产100lm/w的发光效率可与很好荧光灯发光效率相比1年前 白色LED的发光效率也仅60lm/w,尽管如此,从实际亮度来说,荧光灯和其差不多-荧光灯全方位发光,而其定向发光。应用上:应用上:从“显示”的用途扩展到了照明用途,从公共空间向个人空间扩展。存在问题:转换效率(最多80%;而荧光灯90%);需要采用散热性能更好的印刷电路板;另外开发各式各样的封装产品。大功率大功率LEDs与传统照明器件(白炽灯)的区别
2、与传统照明器件(白炽灯)的区别:白炽灯发光存在一个功率阈值-约为0.4 W,功率大于阈值时,白炽灯发光效率随着功率的增加很快,而且发光效率增加的幅度也随着功率增加而增加。(黑体辐射规律)温度升高,波长向可见光移动。当大功率白光LED 功率大于0.11 W 时,发光效率随功率增加开始缓慢减小,随着功率继续增加,发光效率降低的速度也越来越快,在功率为1W 时,白光LED 的发光效率为131lm/W。这种现象是在半导体照明中遇到的最大障碍之一,即发光效率与功率不能同时达到最大。大功率白光大功率白光LEDs发光规律:发光规律:此图为大功率白光LEDs功率与发光效率的关系,从图可以看出,发光效率并不是功
3、率的单调减函数,当功率在0-0.11w的范围内,发光效率随着功率迅速增加,在0.11w时达到最大,此时的发光效率为156lm/w。(功率较小时,芯片本身发光效率较高,但强度弱,荧光粉层可能吸收一定光),随着功率增加,发光效率降低,但强度增加,荧光粉激发几率增加,当功率为1w时,发光效率为131lm/w,这种现象就是半导体照明中遇到的最大障碍,发光效率与功率不能同时达到最大。荧光灯发光规律:荧光灯发光规律:此图为荧光灯发光效率随功率的变化规律,对额定功率为1w的荧光灯研究,发现其存在一个功率阈值,这个阈值为0.4w,小于它不发光,高于时发光效率随功率增加。ext=out*in-ext=10%ou
4、t 为外量子效率;in为内量子效率out:寻找合适的封装技术 如:Flipchip method in:提高芯片质量-改善其发光效率 decreasing the dislocation density introducing confinement structure increasing the P-type doping efficiency 提高大功率提高大功率LEDs的方法与技术:的方法与技术:1、提高内量子效率的方法、提高内量子效率的方法1、寻找合适的衬底材料,与GaN及其合金小的热失配和晶格失配衬底材料,目前SiC,LiAlO2等具有很大的发展潜力。2、提高制备薄膜和器件的工艺技
5、术,减少薄膜或器件的刃位错和堆积位错密度。3、寻找最佳的荧光粉材料(性能稳定、发光效率和质量高),并提高目前荧光粉质量。4、改善器件的制备工艺,量子阱数量和宽度等。5、提高p型掺杂的程度 一条有效的途径:生长无极性一条有效的途径:生长无极性GaN薄膜或器件薄膜或器件优势:第一点:无极性GaN及合金显著的减弱辐射波长的红移趋势,与极性量子阱比较而言,这种波长偏移减弱了十倍或以上的现象预示了在非极性量子阱中不存在极化诱导电荷。第二点:可以有效的提高p型掺杂浓度,目前报道的电子激活程度的最好结果仅仅是在1-21018cm-3之间,加州大学圣芭芭拉分校的研究者们发现对于m面的GaN,产生电子激活的镁掺
6、杂浓度能达到71018cm-3,这些比较高的p型掺杂能级能够降低接触电阻,减弱p-n结的启动电压和串联阻抗,产生出高光学输出效率的LEDs和LDs。第三点:无极性LEDs和LDs可产生同行偏振光辐射,可直接被用作背光LCD显示和放映,因为偏振光源能够去除偏振滤波器并使屏幕更薄,更亮,更节能。上述研究小组从m面GaN基LEDs产生的偏振光辐射其偏振度为0.17度(无规则方向和全偏振光的偏振度分别为0.0和1.0),当更多的工作只剩下提高偏振度时,最初的工作显示了m面GaN器件能够瞄准这一极性GaN不能企及的独一无二的领域。2、提高外量子效率的方法、提高外量子效率的方法主要涉及:封装技术主要介绍两
7、种目前流行的技术:第一:倒装芯片和低热阻封装第二:TIP结构、表面粗化结构和芯片黏贴技术第一:倒装芯片和低热阻封装技术第一:倒装芯片和低热阻封装技术 传统的蓝宝石衬底GaN芯片结构,电极刚好位于芯片的出光面,在这种结构中,小部分p-GaN层和“发光层”被刻蚀,以便与下面的n-GaN层形成电接触,光从最上面的p-GaN取出,所以要求在p-GaN层表面在沉淀一层电流扩散金属层,但却会吸收部分光,从而降低了芯片的出光效率;同时此封装结构的热量是通过蓝宝石衬底导出去,导热路径长,由于蓝宝石的导热系数比金属低,所以这种结构,出光效率和热性能都不可能是最优的。为了克服上述缺点-开发了倒装芯片结构倒装芯片和
8、低热阻结构示意图倒装芯片和低热阻结构示意图 此结构中,光从蓝宝石衬底取出,不必从电流扩散层取出,这样不透光的扩散层可以加厚,增加了Flipchip的电流密度,同时这种结构中,pn结的热量可直接通过金属秃点导给热导系数高的硅衬底,散热效果好;而且在pn结与p电极之间增加了一个反光层,又消除了电极和引线的挡光;因此这种结构具有电、光、热等方面的最优的特性。基于Flipchip的大功率LEDs热分析表征系统热性能的一个重要参数是系统的热阻。其定义为:在热平衡的条件下,两规定点(或区域)温度差与产生这两点温度差的热耗散功率之比。(单位:K/w)倒装型大功率LED表面一般贴装金属线路板或者再安装金属热沉
9、,增加散热效果。其内部结构如下图:大功率LEDs芯片电极:其电极上焊接的数个Bump(金球)与Si衬底上对应的Bump通过共晶焊接在一起,Si衬底通过粘结材料与器件内部热沉粘结在一起,为了增加取光效果,热沉上制作有一个聚光杯,芯片安装在杯的中央,热沉选用高导热系数的金属材料(Cu,Al等),稳态时LEDs热阻的等效连接如下图:系统热阻:系统热阻:衬底粘结材料对大功率衬底粘结材料对大功率LEDs热特性的影响热特性的影响 LED倒装芯片被粘结在管座里,可以通过三种形式:导热胶粘贴、导热型银浆粘贴和锡浆粘贴(其中锡浆粘贴的热导特性是三种方式中最优的)。生产中往往容易忽略衬底粘结材料对热导特性的影响,
10、其实衬底粘结材料是影响器件热导特性因素中一个重要因素。设倒装芯片衬底的横截面积为A(m2),粘结材料的热导系数为(W/mK),粘结材料的高度为h(m),则粘结材料的热阻为:下面分析台湾国联光电公司的Flipchip,芯片submount是边长为55mil的正方形,即A为1.9610-6m2,分析热导系数为 对粘贴材料热阻的影响,当当h=20m时,则 这三种情况的热阻与热导系数的关系曲线:当选用铅锡焊料63Sn/37Pb,=39W/mK,同时其厚度等于20m 时,RAttach等于0.026(K/W),即使其厚度为 100m,RAttach也只等于0.131(K/W);当选用热沉粘接胶Ablef
11、ilm 5020K,=0.7W/mK,同时其厚度等于20m时,RAttach等于1.457(K/W),当其厚度为100m时,RAttach等于7.286(K/W);当选用导电型芯片粘接胶 Ablebond 84-1LMISR4,=2.5W/mK,同时其厚度等于20m时,RAttach等于0.408(K/W),当其厚度为100m时,RAttach等于2.041(K/W)。小结:小结:LED芯片结温最高允许125,如果其最差工作环境温度为65,则对一个1W的大功率LED来说,考虑到从大功率器件外部热沉的热阻一般为40 K/W,器件pn结至器件的热阻应小于20(K/W)。而对一个5W的大功率LED来
12、说,如果其最差工作环境温度为65,则从pn结至环境的热阻要小于12 K/W才能保证芯片结温不超过125,而如果选用Ablefilm 5020K热沉粘接胶,=0.7W/mK同时其厚度为100m,仅芯片粘贴材料的热阻RAttach就等于7.286(K/W)。因此,在 Flipchip 大功率LED器件的封装中,选用合适的芯片衬底粘贴材料并在批量生产工艺中保证粘贴厚度尽量小,对保证器件的可靠性和出光特性是十分重要的。第二:第二:TIP结构、表面粗化结构和芯片黏贴技术等结构、表面粗化结构和芯片黏贴技术等 改变LEDs形状是一个有效提升发光效率的方法即TIP(Truncated-Inverted-Pyr
13、amid)型晶粒结构,4个截面将不再互相平行,光很有效地被引出来,外部量子效率则大幅提升。由于硬度极高的蓝宝石基板和SiC基GaN难以加工成特定的规则形状,所以此项技术尚无进一步的发展;表面粗化(sufaceroughness)技术 此方法是将组件的内部及外部的几何形状粗化,破坏光线在组件内部的全反射,提升组件的出光效率。其粗化方法基本上是在组件的几何形状上形成规则的凹凸形状,而这种规则分布的结构也依所在位置的不同分为两种形式,一种是在组件内设置凹凸形状,另一种方式是在组件上方制作规则的凹凸形状,并在组件背面设置反射层。由于使用传统制程即可在GaN系化合物半导体层的界面设置凹凸形状,因此上述第
14、一种方式具有较高的实用性。目前若使用波长为405nm的紫外组件,可获得43%外部量子效率,取出效率为60%,为目前全球最高的外部量子效率与取出效率。芯片黏贴技术(waferbonding)此法采用透明基板粘贴技术,主要是将发光二极管晶粒先在高温环境下施加压力,并将透明的GaP基板粘贴上去,之后再将GaAs除去,如此便可提高二倍的光线取出率。总总 结:结:1、主要系统学习了影响大功率发光二极管发光、主要系统学习了影响大功率发光二极管发光效率的因素;效率的因素;2、对白光发光二极管和荧光灯的发光机理进行、对白光发光二极管和荧光灯的发光机理进行了分析了分析3、详细分析了白光发光二极管的内量子效率和、
15、详细分析了白光发光二极管的内量子效率和外量子效率的影响因素。外量子效率的影响因素。半导体物理学半导体物理学第一章:半导体中的电子状态第一章:半导体中的电子状态目的:半导体具有许多独特的物理性质,这与半导体中电子的状态及其运动特点有密切的关系。研究方法:半导体单晶或其他固态材料,都是由大量原子周期性重复排列而成,而每个原子又包含原子核和许多电子,如果能写出所有相互作用着的原子核和电子系统的薛定谔方程,并求解,便可以了解其性质。出现问题:这是一个非常复杂的多体问题,不可能求出其严格解,只能用近似的处理方法。采用的方法:单电子近似研究固态晶体中的电子能态。定义:假设每个电子是在周期性排列且固定不动的
16、原子核势场及其他电子的平均势场中运动。用单电子近似法研究晶体中电子状态的理论称为能带论。1.1、原子的能级和晶体的能带、原子的能级和晶体的能带晶体中电子作共有化运动,当两个原子靠近时,原子中的电子除了受到本身原子势场作用外,还要受到另外一个原子势场的作用,其结果是每个二度简并的能级都分裂为两个彼此相距很近的能级。现在考虑由N个原子组成的晶体,当N个原子相互靠近结合成晶体后,每个电子都要受到周围原子势场的作用,其结果是每一个N度简并的能级都分裂成N个彼此相距很近的能级,这N个能级组成一个能带。这是电子不再属于某一个原子而是在晶体中作共有化的运动。分裂的每一个能带都成为允带,允带之间因没有能级称为
17、禁带。内壳层电子处于低能级,共有化运动很弱,能级分裂很小,能带窄,而外壳层处于高能级,能级分裂厉害,能带很宽。1.2、半导体中电子的状态和能带、半导体中电子的状态和能带电子在周期性势场中运动的基本特点和自由电子的运动十分相似。晶体中的电子在周期性势场中运动的波函数与自由电子的波函数形式相似。其波函数为:布拉赫定理22()()()()222()()()()dxV xxExmdxoikxxux ekkuxux nakk根据波函数的意义,在空间某一点找到电子的概率与波函数的强度(即)成比例。对于晶体中的电子,但是与晶格同周期的函数,在晶体中波函数的强度也随晶格周期性变化,所以在晶体中各点找到该电子的
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