光发射二极管

1、第六章第六章 第九节第九节光发射二极管LEDLED是light-emitting diode的缩写，在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。6.9.1 LED原理原理Fig 6.43(a) The energy band diagram of a p-n+(heavily n-type doped) junctionwithout any bias. Built-in potential Vopreve

2、nts electrons from diffusingfrom n+to p side. (b) The applied bias reduces Voand thereby allowselectrons to diffuse, be injected, into the p-side. Recombination aroundthe junction and within the diffusion length of the electrons in the p-sideleads to photon emission.hEgEg(b)V(a)pn+EgeVoEFpn+Electron

3、 in CBHole in VBEvEcEvEFeVoElectron energyDistance into deviceEc最简单的最简单的LED的结构：在适当的衬底上（的结构：在适当的衬底上（GaAs、GaP）上）上面生长一层掺杂的半导体层。一般是采用外延方式及接着面生长一层掺杂的半导体层。一般是采用外延方式及接着衬底晶体的结构生长。然后再通过生长出另一层衬底晶体的结构生长。然后再通过生长出另一层P型掺杂的型掺杂的外延层就形成了外延层就形成了pn+节。如果外延层和衬底晶体的晶格参数节。如果外延层和衬底晶体的晶格参数不匹配，易产生促进无辐射不匹配，易产生促进无辐射EHP复合过程的晶格缺陷。

4、因复合过程的晶格缺陷。因此，实现此，实现LED外延层与衬底之间的晶格匹配非常重要。例外延层与衬底之间的晶格匹配非常重要。例如在如在GaAs衬底上生长衬底上生长AlGaAs外延层有很好的晶格匹配，可外延层有很好的晶格匹配，可制作高效率的制作高效率的LED芯片。芯片。Fig 6.44Light outputpEpitaxiallayersSubstraten+n+Aschematic illustration of one possible LED device structure. First n+isepitaxially grown on a substrate.Athin p layer

5、is then epitaxially grown onthe first layer.直接带隙半导体材料就是导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中同一位置。电子要跃迁到导带上产生导电的电子和空穴（形成半满能带）只需要吸收能量。 间接带隙半导体材料导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中不同位置。形成半满能带不只需要吸收能量，还要改变动量。 间接带隙半导体材料导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中不同位置。电子在k状态时的动量是（h/2pi）k，k不同，动量就不同，从一个状态到另一个必须改变动量。LED发光可以是直接带隙间的跃迁复合，也可以是通过间接带隙间的复合中心复合。Fig 6.

6、45(a) Photon emission in a direct bandgap semiconductor. (b) GaP isan indirect bandgap semiconductor. When doped with nitrogen thereis an electron recombination center at EN. Direct recombinationbetween a captured electron at ENand a hole emits a photon.EcEvENEg外部效率：表示将电能转化为外部光能的效率。在近日东京的举办的“nano te

7、ch 2009国际纳米技术综合展”上，面向新一代照明用LED，东芝展出了正在开发的近紫外LED。其外部量子效率较高，达到了36%。发光波长为380nm。为了提高发光效率，抑制了GaN结晶的缺陷，提高了平坦性。异质结【heterojunction】 两种不同的半导体相接触所形成的界面区域。按照两种材料的导电类型不同，异质结可分为同型异质结（P-p结或N-n结）和异型异质(P-n或p-N)结，多层异质结称为异质结构。通常形成异质结的条件是：两种半导体有相似的晶体结构、相近的原子间距和热膨胀系数。利用界面合金、外延生长、真空淀积等技术，都可以制造异质结。双异质结结构可以增加LED输出光的强度。如下图

8、中的宽禁带AlGaAs层扮演了将所注入的电子限制在p-GaAs层的限制层的角色。6.9.2 异质结高亮度异质结高亮度LEDFig 6.46(a) A double heterostructure diode has two junctions which are between two different bandgap semiconductors (GaAs and AlGaAs). (b) A simplified energy band diagram with exaggerated features. EF must be uniform. (c) Forward biased s

9、implified energy band diagram. (d) Forward biased LED. Schematic illustration of photons escaping reabsorption in the AlGaAs layer and being emitted from the device.(d)GaAsAlGaAsAlGaAsppn+(c)2 eV2 eVeVoHoles in VBElectrons in CBNo biasEcEvEcEvEFEF(a)(b)EcAlGaAsAlGaAsGaAs1.4 eVWith forwardbias 0.2mpp

10、LED是利用化合物材料制成pn结的光电器件。它具备pn结结型器件的电学特性：I-V特性、C-V特性和特有的光学特性：光谱特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。 LED发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线光谱分布曲线。当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。LED的光谱分布主要决定于制备所用化合物半导体种类、性质及pn结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式关系较小。6.9.3 LED的特性Fig 6.47(a) Energy band diagram with possible recombination pat

11、hs. (b) Energy distribution of electrons in the CB and holes in the VB. The highest electron concentration is (1/2)kT above Ec. (c) The relative light intensity as a function of photon energy based on (b). (d) Relative intensity as a function of wavelength in the output spectrum based on (b) and (c)

12、.Relative intensity10(d)h10EghhhhRelative intensity(c)Eg+kT(2.5-3)kTEEcEvCarrier concentrationper unit energyElectrons in CBHoles in VBVB(a)(b)1/2kTEg1232kTCBFig 6.48(a)60065070000.51.0Relativeintensity24 nm655nm(b)02040I(mA)0RelativelightintensityV2102040I(mA)0(c)(a) A typical output spectrum (rela

13、tive intensity vs wavelength) from a red GaAsP LED. (b) Typical output light power vs. forward current. (c) Typical I-V characteristics of a red LED. The turn-on voltage is around 1.5V LED热学特性：小电流下，LED温升不明显。若环境温度较高，LED的主波长就会红移，亮度会下降，发光均匀性、一致性变差。这种效应在点阵、大显示屏尤其明显。点阵、大显示屏的温升对LED的可靠性、稳定性影响更为显著。所以散热设计很关键

14、。The output spectrum from AlGaAs LED. Values normalized to peak emission at 25 oC80090040oC25oC85oC01740Relative spectral output power840880Wavelength (nm)P472 6.4 二极管的温度特性二极管的温度特性1.反偏电流对温度的敏感度（略）反偏电流对温度的敏感度（略）2. 正偏时，每单位温度变化引起正偏时，每单位温度变化引起pn结上电压的变化结上电压的变化P477 三元合金三元合金AlxGa1-xAs的带隙的带隙Eg遵循的关系式。遵循的关系式。

15、我国我国LED产业现状产业现状LED照明产业在迎来一个发展良机的同时也发现了行业存在的一些严重阻碍行业发展的问题。根据“十二五”规划，到2015年我国LED产业规模达到5000亿元，产业面临着巨大商机。中国民营科技促进会经过调研发现，目前我国LED产业仍面临诸多困局，甚至已经形成制约产业持续发展的桎梏。产品价格过高 商业化应用推广举步维艰国家在去年已经启动“十城万盏”LED节能计划，目前已经有42个城市列入该计划。不过，除了装饰用的LED照明已经逐步普及化外，至今绝大部分的LED通用照明应用还局限于政府示范工程。市场推广难的主要原因是LED照明产品价格过高。由于芯片在LED产品成本中占30%甚

16、至更高，而我国照明级高端LED芯片主要依靠进口，价格较为昂贵，造成同等光照亮度的LED照明产品的价格居高不下，对普通的消费者没有较大吸引力。产品同质化竞争激烈 缺乏龙头企业及主导品牌中国LED行业企业数量众多，整体已取得较大进步，但企业规模普遍偏小，缺乏龙头企业。随着大部分LED厂家将产品前期研发和主要模块生产交与方案商，LED准入门槛降低，市场竞争激烈。目前国内有1950家LED封装企业，而企业推出的各类LED应用新产品数量不足530件；LED路灯企业超过300家，产品基本处于互相抄袭模仿的阶段。同质化竞争造成价格战硝烟四起，缺少标杆性的品牌，企业规模难以壮大，行业缺乏公信力。培植龙头企业，

17、加快自主品牌建设已迫在眉睫。产业投资过热 盲目低水平重复建设世博、亚运、“十城万盏”政策推进，LED市场需求大增。多个地市将LED产业作为支柱性产业发展，国内LED市场前景乐观，海内外投资兼并整合上下游企业进程加速，传统照明企业、国有资本、民间资本等也纷纷进入，出现产业投资热潮。以上游的外延片生产关键设备MOCVD为例，2010年到厂安装进口设备达300台，未来3年全国计划进口超过1000台，是2008年的10倍以上。未经科学决策和合理规划LED产业布局，大规模集中引进MOCVD关键设备，可能导致低端芯片产能大爆发，LED产业可能重蹈我国2008、2009年多晶硅投资热失败的覆辙。缺乏关键技术

18、和核心专利专利技术是全球主要LED厂商获得竞争优势、保持市场份额的重要手段。国内LED专利技术构成不完善，上游专利大部分被国外厂商所掌握，技术受制于人，高端芯片80%以上来自国外或台湾地区，企业无法延伸到中高端利润板块；由于缺乏原理性专利，产品受到专利封锁，出口受制约。即使在集中了我国80%以上企业的封装和应用下游领域也处于较低端水平。随着LED技术遵循摩尔定律不断提高性能，降低成本，应用领域大大拓展，市场空间成倍增加。拥有先进的研发技术和良好的品牌形象的外国LED企业“攻城略地”，占领市场。国内LED企业面临巨大挑战，必需进一步提高自身的技术水平，构建自有专利防御体系。Fig 6.43(a)

19、 The energy band diagram of a p-n+(heavily n-type doped) junctionwithout any bias. Built-in potential Voprevents electrons from diffusingfrom n+to p side. (b) The applied bias reduces Voand thereby allowselectrons to diffuse, be injected, into the p-side. Recombination aroundthe junction and within

20、the diffusion length of the electrons in the p-sideleads to photon emission.hEgEg(b)V(a)pn+EgeVoEFpn+Electron in CBHole in VBEvEcEvEFeVoElectron energyDistance into deviceEc最简单的最简单的LED的结构：在适当的衬底上（的结构：在适当的衬底上（GaAs、GaP）上）上面生长一层掺杂的半导体层。一般是采用外延方式及接着面生长一层掺杂的半导体层。一般是采用外延方式及接着衬底晶体的结构生长。然后再通过生长出另一层衬底晶体的结构生长

21、。然后再通过生长出另一层P型掺杂的型掺杂的外延层就形成了外延层就形成了pn+节。如果外延层和衬底晶体的晶格参数节。如果外延层和衬底晶体的晶格参数不匹配，易产生促进无辐射不匹配，易产生促进无辐射EHP复合过程的晶格缺陷。因复合过程的晶格缺陷。因此，实现此，实现LED外延层与衬底之间的晶格匹配非常重要。例外延层与衬底之间的晶格匹配非常重要。例如在如在GaAs衬底上生长衬底上生长AlGaAs外延层有很好的晶格匹配，可外延层有很好的晶格匹配，可制作高效率的制作高效率的LED芯片。芯片。最简单的最简单的LED的结构：在适当的衬底上（的结构：在适当的衬底上（GaAs、GaP）上）上面生长一层掺杂的半导体层

22、。一般是采用外延方式及接着面生长一层掺杂的半导体层。一般是采用外延方式及接着衬底晶体的结构生长。然后再通过生长出另一层衬底晶体的结构生长。然后再通过生长出另一层P型掺杂的型掺杂的外延层就形成了外延层就形成了pn+节。如果外延层和衬底晶体的晶格参数节。如果外延层和衬底晶体的晶格参数不匹配，易产生促进无辐射不匹配，易产生促进无辐射EHP复合过程的晶格缺陷。因复合过程的晶格缺陷。因此，实现此，实现LED外延层与衬底之间的晶格匹配非常重要。例外延层与衬底之间的晶格匹配非常重要。例如在如在GaAs衬底上生长衬底上生长AlGaAs外延层有很好的晶格匹配，可外延层有很好的晶格匹配，可制作高效率的制作高效率的LED芯片。芯片。异质结【heterojunction】 两种不同的半导体相接触所形