白光LEDs和半导体物理学

会计学1白光LEDs和半导体物理学大功率LEDs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0.4W,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0.11W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。第1页/共54页大功率白光LEDs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。第2页/共54页荧光灯发光规律：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。第3页/共54页ηext=ηout*ηin-------ηext=10%ηout

为外量子效率；ηin为内量子效率ηout:寻找合适的封装技术如:Flipchipmethod

η

in:提高芯片质量-改善其发光效率

decreasingthedislocationdensityintroducingconfinementstructureincreasingtheP-typedopingefficiency

提高大功率LEDs的方法与技术：第4页/共54页1、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型掺杂的程度第5页/共54页一条有效的途径：生长无极性GaN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1-2×1018cm-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杂浓度能达到7×1018cm-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。第6页/共54页2、提高外量子效率的方法主要涉及：封装技术主要介绍两种目前流行的技术：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7页/共54页第一：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第8页/共54页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。第9页/共54页基于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,增加散热效果。其内部结构如下图：第10页/共54页大功率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：第11页/共54页系统热阻：第12页/共54页衬底粘结材料对大功率LEDs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,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λ（W/m·K）,粘结材料的高度为h(m),则粘结材料的热阻为：第13页/共54页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1.96×10-6m2,分析热导系数为λ对粘贴材料热阻的影响,当当h=20μm时，则第14页/共54页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，λ=39W/m·K，同时其厚度等于20μm时，RθAttach等于0.026（K/W），即使其厚度为100μm，RΘAttach也只等于0.131（K/W）；当选用热沉粘接胶Ablefilm5020K，λ=0.7W/m·K，同时其厚度等于20μm时，RΘAttach等于1.457（K/W），当其厚度为100μm时，RΘAttach等于7.286（K/W）；当选用导电型芯片粘接胶Ablebond84-1LMISR4，λ=2.5W/m·K，同时其厚度等于20μm时，RΘAttach等于0.408（K/W），当其厚度为100μm时，RΘAttach等于2.041（K/W）。

第15页/共54页小结：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40K/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12K/W才能保证芯片结温不超过125℃，而如果选用Ablefilm5020K热沉粘接胶，λ=0.7W/m·K同时其厚度为100μm，仅芯片粘贴材料的热阻RΘAttach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16页/共54页第二：TIP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-Pyramid)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;第17页/共54页表面粗化(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。第18页/共54页芯片黏贴技术(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。第19页/共54页总结：1、主要系统学习了影响大功率发光二极管发光效率的因素；2、对白光发光二极管和荧光灯的发光机理进行了分析3、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。第20页/共54页半导体物理学第21页/共54页第一章：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。第22页/共54页1.1、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。第23页/共54页1.2、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：布拉赫定理第24页/共54页根据波函数的意义，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概率也具有周期性变化性质。这反映了电子不再完全局限在某一个原子上，而是可以从晶胞中某一点自由地运动到其它晶胞内的对应点，因而电子可以在整个晶体中运动，这种运动称为电子在晶体内的共有化运动。组成晶体的原子的外层电子共有化运动较强，其行为与自由电子相似。而内层电子的共有化运动较弱，其行为与孤立原子中的电子相似。第25页/共54页三维晶格的布里渊区描述：首先做出晶体的倒格子，任选一倒格子点为原点，由原点到最近及次近的倒格点引倒格矢；然后作倒格矢的垂直平分面，此面就是布里渊区的边界，在这些边界上能量发生不连续，面所围成的最小多面体就是第一布里渊区。第26页/共54页1.3半导体中的电子的运动有效质量有效质量的意义：半导体中的电子在外力作用下，描述电子运动规律的方程出现的有效质量。并不是电子的惯性质量。半导体中的电子受力即由外电场作用，又受到半导体内部原子及其他电子的势场作用。电子的加速度应该是半导体内部势场和外电场的综合结果。但是要找出内部势场的具体形式并且求出加速度，遇到一定的困难，引入有效质量可使问题变得简单研究电子在外力作用下的运动规律时，不涉及到半导体内部势场的作用，特别是有效质量可以直接测定，因而方便解决电子运动规律第27页/共54页能带底部或顶部E(k)与k的关系：其中为能带底或顶电子的有效质量。半导体中电子的平均速度，能带极值附近电子的速度为：半导体中电子的加速度：第28页/共54页本征半导体的导电机构半导体中除了导带上电子导电作用外，价带中空穴也参与导电，对于本征半导体，导带中出现多少电子，价带中相应的出现多少空穴，导带上电子参与导电，价带上空穴也参与导电，这就是本征半导体的导电机构第29页/共54页第二章半导体中载流子的统计分布目的：计算热平衡载流子浓度及其随温度的变化规律方法：了解允许的量子态能量分布情况；了解电子在允许的量子态中如何分布。第一：允许的量子态能量如何分布？K空间中量子态的分布，k的允许值为：第30页/共54页

半导体导带底附近的状态密度，为了简单起见，考虑能带极值在k=0，等能面为球面的情况。导带附近E(k)与k的关系为：在k空间中，以为半径作一球面，为能量为E(k)的等能面；再作以K+dK为半径的球面，它是能量为E+dE的等能面。要计算能量在E到E+dE之间的量子态数，只要计算这两个球壳之间的量子态数即可。两个球壳之间的体积是,而k空间中，量子态密度是2V,所以，在能量E到E+dE间的量子态数为：所以，第31页/共54页导带底能量E附近单位能量间隔的量子态数，即导带底附近状态密度gc(E)为导带底附近单位能量间隔内的量子态数目，随着电子的能量增加按抛物线关系增加，即电子能量越高，状态密度越大第32页/共54页第二：电子在允许的量子态中如何分布？

在一定的温度下，半导体中的大量电子不停地作无规则的热运动，电子既可以从晶格热振动获得能量，从低能量的量子态跃迁到高能量的量子态，也可以从高能量的量子态跃迁到低能量的量子态，将多余的能量释放出来成为晶格热振动的能量。从大量电子的整体来看，在热平衡状态下，电子按能量大小具有一定的统计分布规律性，即这时电子在不同能量的量子态上统计分布概率是一定的。根据量子统计理论，服从泡利不相容原理的电子遵循费米统计律。对于能量为E的一个量子态被一个电子占据的概率f(E)为：其中f(E)称为电子的费米分布函数，描写热平衡状态下，电子在允许的量子态上如何分布的一个统计分布函数其中代表系统的化学势，F是系统的自由能。上式的意义是：当系统处于热平衡状态，也不对外界作功的情况下，系统中增加一个电子所引起系统自由能的变化，等于系统的化学势，也就是等于系统的费米能级。而处于热平衡状态的系统有统一的化学势，所以处于热平衡状态的电子系统有统一的费米能级。第33页/共54页费米分布函数f(E)的一些特性：图4给出了温度为0，300，1000，1500K时费米分布函数f(E)与E的曲线。从图中看出，随着温度升高，电子占据能量小于费米能级的量子态的概率下降，而占据能量大于费米能级的量子态的概率增大电子与空穴的波尔兹曼分布函数：费米能级EF位于禁带内，而且与导带底或价带顶的距离远大于koT,导带中的所有量子态来说，被电子占据的概率，一般都满足f(E)<<1,故半导体导带中的电子分布可以用电子的波尔兹曼分布函数描写。由于随着能量E的增大，f(E)迅速减小，所以导带中绝大多数电子分布在导带底附近。同理，对半导体价带中的所有量子态来说，被空穴占据的概率，一般都满足1-f(E)<<1。故价带中的空穴分布服从空穴的波尔兹曼分布函数。由于随着能量E的增大，1-f(E)迅速增大，所以价带中绝大多数空穴分布在价带顶附近。通常把服从波尔兹曼统计律的电子系统称为非简并性系统，而服从费米统计律的电子系统称为简并性系统。第34页/共54页导带中的电子浓度与价带中空穴浓度图5中画出了能带、函数f(E)、1-f(E)、gc(E)、gv(E)以及f(E)gc(E)和[1-f(E)]gv(E)等曲线。图4(e)中用阴影线标出了的面积就是导带中能量E到E+dE间的电子数，所以f(E)gc(E)曲线与能量轴之间的面积除以半导体体积后就等于导带的电子浓度。第35页/共54页在非简并情况下，导带中电子浓度可计算如下：在能量E到E+dE间的电子数dN为单位体积中电子数为：第36页/共54页称为导带的有效状态浓度，显然，是温度的函数

第37页/共54页称为价带的有效状态密度。显然，是温度的函数

是空穴占据能量为的量子态的概率。

所以可以看出导带中电子浓度和价带中空穴浓度都随着温度和费米能级的不同而变化，其中温度的影响，一方面来源于Nv和Nc；另一方面，也是更主要的来源，是由于波尔兹曼分布函数中的指数随温度迅速变化。另外费米能级也与温度及半导体中所含杂质情况密切相关。因此，在一定温度下，由于半导体中所含杂质的类型和数量的不同，电子浓度no和空穴浓度Po也将随之变化。第38页/共54页载流子浓度乘积n0po

电子与空穴的浓度乘积和费米能级无关。对一定的半导体材料，乘积只决定于温度T，与所含杂质无关。当半导体处于热平衡状态时，载流子浓度的乘积保持恒定，如果电子浓度增加，那么空穴的浓度就要减少，反之亦然。

第39页/共54页本征半导体的载流子浓度本征载流子浓度ni为试验测定高温下的霍尔系数和电导率，从而得到很宽温度范围内本征载流子浓度与温度的关系，作出关系直线，从直线的斜率可求得T=0K时禁带宽度斜率。第40页/共54页杂质半导体载流子浓度n型半导体电中性条件为：等式左边是单位体积中负电荷数，实际上为导带中的电子浓度；等式右边是单位体积中的正电荷数，实际上是价带中的空穴浓度与电离施主浓度之和。即可得：第41页/共54页上式子中除EF之外，其余各量均为已知，因而在一定温度下可以将EF决定出来。但是从上式求EF的一般解析式还是困难，下面分析不同温度范围的情况1、低温弱电离区第42页/共54页2、中间电离区施主杂质有1/3电离3、强电离区No=ND4、过渡区第43页/共54页P型半导体低温弱电离区：强电离区（饱和区）过渡区：第44页/共54页图8给出了不同掺杂情况下费米能级图强p型中，NA大，导带中电子最少，价带中电子也最少。故可以说，强p型半导体中，电子填充能带的水平最低，EF也最低；弱p型中，导带及价带中电子稍多，能带被电子填充的水平也稍高，EF也升高了；本征半导体，无掺杂，导带及价带中载流子数一样多；弱n型中，导带及价带中电子更多了，能带被电子填充的水平也更高，EF升到禁带中线以上；强n型中，导带及价带中电子最多，能带被电子填充的水平最高，EF也最高。第45页/共54页第三章

半导体的导电性3.1半导体的主要散射机构半导体内部除了周期性势场外，又存在一个附加势场从而使周期性势场发生变化，由于附加势场的作用，就会使能带中的电子发生在不同k状态间的跃迁。此附加势场产生的主要原因：电离杂质的散射晶格振动的散射其它因素引起的散射3.2迁移率与杂质和温度的关系不同散射机构，迁移率与温度的关系为：电离杂质散射：(2)晶格振动散射：声学波散射光学波散射由于任何时候都有几种散射机构同时存在,所以