专题2发光二极管(LED)物理基础与结构

1、专题一发光二极管（LED）物理基础与结构380nm430nm490nm505nm515nm535nm585nm600nm630nm780nm一、可见光n紅橙黃綠藍靛紫，為人眼可見之光，是一般人類所能察覺光的波長，介於380780nm之間。n紫色光波以下的波長稱為紫外線，大約介於100nm380nm。n紅色光波以上的波長稱為紅外線，大約介於780nm1mm。二、LED的基本概念nLED：Light Emitting Diode 译为：发光二极管n定义：一种可以将电能转化为光能的电子器件具有二极管的特性。n符号：n实物图：三、LED的发光原理nLED的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，

2、在p型半导体和n型半导体之间有一个过度层，称为p-n结。n1、专业描述 在正向电压的作用下，PN结N区的电子向正方面扩散，进入有源层，P区的空穴也向负方向扩散进入有源层。进入有源层的电子和空穴由于 异质结势垒的作用，而被封闭在有源层内，就形成了粒子数反转分布，有源层内反转分布的电子经跃迁与空穴复合，产生自发辐射光。n2、简单描述 电子由高能级跃迁到低能级，产生光子。n3、一般描述 在施加正向电压的情况下，PN结N区自由电子向P区运动，而P区的空穴则向N区运动，在有源层内电子由导带跃迁到价带与空穴复合，产生光子，即电能转化成了光能LED发光机理示意图四、LED的发展历史视频：视频：LED照明的发

3、展史照明的发展史五、白光LED主流实现方式 InGaN蓝光蓝光LED chips + YAG:Ce3+黄色荧光粉黄色荧光粉白光白光 LED （来源：厦门通士达有限公司（来源：厦门通士达有限公司 2008年年4月）月）白光LED的光谱图芯片数 激发源 发光材料 发光原理 1 蓝色LED InGaN/YAG InGaN的蓝光与YAG的黄光混合成白光 蓝色LED InGaN/荧光粉 InGaN的蓝光激发的红绿蓝三基色荧光粉发白光 蓝色LED ZnSe 由薄膜层发出的蓝光和在基板上激发出的黄光混色成白光 紫外LED InGaN/荧光粉 InGaN的紫外激发的红绿蓝三基色荧光粉发白光 2 蓝色LED 黄

4、绿LED InGaN、GaP 将具有补色关系的两种芯片封装在一起，构成白色LED 3 蓝色LED 绿色LED 红色LED InGaN AlInGaP 将发三原色的三种小片封装在一起，构成白色LED 多个 多种光色的LED InGaN、GaP AlInGaP 将遍布可见光区的多种光芯片封装在一起，构成白色LED 图 级联型GaN基白光LED的设计结构图 级联型GaN基白光LED的电致发光光谱直接发白光的 技术 常用的三种产生白光的方法：常用的三种产生白光的方法：三种方法比较：三种方法比较：六、LED的结构特征n6.1 LED封装结构特征n6.2 LED芯片结构特征晶片DiceR,G,B金线Au

5、wire1.0&1.2mil银胶Ag epoxy支架Leadframe胶水Epoxy（环氧树脂）6.1.1 LED Lamp Structure（直插型）补充专题：补充专题：LED Lamp封装封装6.1.2 High power LED structure(大功率LED)Lumileds Packaging 大功率LED实物图GaN-LED芯片的基本结构InGaN MQW active layerSapphire substratep-electrode (Ni/Au)p-electrode (Ni/Au)p-GaN layern-GaN layerGaN buffer layern

6、-electrode(Ti/Al)6.2.1 LED芯片结构特征 之 双电极蓝光蓝光LED芯片基本结构芯片基本结构衬底层衬底层：一般为蓝宝石或SiC，目前研究最热的是Si衬底。n n型氮化镓层型氮化镓层：GaN的n型掺杂比较简单，掺杂源为IV族元素Si、Ge、Se等 发光层发光层：为p型或者n型含铟的氮化镓，或非掺杂的氮化铟镓，可通过改变发光杂质的种类来改变禁带宽度，从而改变发出光的波长。p p型氮化镓层：型氮化镓层：多数采用p型AlGaN，掺杂主要是Mg 等II族元素p p型接触层型接触层：一般采用p型GaN，使之与正电极材料达到良好的欧姆接触。 透明导电层：透明导电层：为了将电流有效地分散

7、以达到均匀发光，避免所发的光被p型金属电极衰减。芯片基本结构:Flip-chip6.2.2 LED芯片结构特征 之 倒装结构芯片基本结构:SiC 垂直结构6.2.3 LED芯片结构特征 之 单电极Cu Heat SinkingAg ReflectorTransparent ohmic contactP-GaNInGaN/GaN MQWN-GaNITO contact layerN-electrode pad芯片基本结构:金属衬底、垂直结构6.2.3 LED芯片结构特征 之 单电极七、LED的产品分类n按发光颜色分：可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管

8、中包含二种或三种颜色的芯片。n根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。n按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。n圆形灯按直径分为2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm及20mm等。n从发光强度角分布图来分有三类： （1）高指向性：半值角为520或更小。（2）标准型：其半值角为2045。（3）大角度。n按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。n按发光强度和工作电流分: 有普通亮度的LED（发光强度100mcd）； 把发

9、光强度在10100mcd间的叫高亮度发光二极管。5系列举例（圆形，子弹头）5.0*8.7mm圆形有帽沿圆形有帽沿子弹头LED5.0*8.7mm圆形有帽沿圆形有帽沿LED 食人鱼系列LED分类数码管(Display)大功率(High Power Led)贴片(SMD)食人鱼(P4)普通LED(P2)LED分类分类功率大小：小功率、大功率、超大功率。光波长：不可见光（红外、紫外）、可见光。封装形式：插件式、贴片式、多晶封装。插件式插件式贴片式贴片式多晶封装多晶封装小功率小功率 1W超大功率超大功率 10W八、LED的产业链nLED设备，原材料：MOCVD，激光划片机，检测设备n上游：材料生长，结构

10、设计； 亮度，波长，正向电压，可靠性； 外延片n中游：芯片制备； 正向电压，出光，可靠性； 芯片：0.3mm-1.5mmn下游：封装； 出光效率，正向电压，可靠性，散热； LED lamp, SMT, high power，数码管等n应用：灯具，工程； 出光效率，散热，美学设计，建筑，文化等； 装饰照明，路灯，LCD背光，车灯，太阳灯，普通照明，特种照明。产业链产业链上游上游中游中游下游下游材料体系材料体系衬底等原材料衬底等原材料外延外延芯片芯片封装封装应用应用AlGaInP中科镓英：GaAs厦门三安、山东华光、河北汇能、广东福地、广东普光、北京圣科佳佛山国星、厦门华联、宁波升普、深圳量子、河北鑫谷、江苏稳润、天津天星、江苏奥雷、杭州创元、福日科光北京