平板显示技术：第六章 LED

第六章发光二极管显示发光二极管LED用材料及发光机制制作工艺1由鸟巢和大屏幕组成的巨大“网幕”成为APEC演出背景，这个由ＬＥＤ灯搭建的网幕宽度２３２米，上下高度为５５米，共计面积１２０００多平方米。把钢网上变压器和镇流器都安置在了最下端，保证电流穿过鸟巢结构都是由直流线接驳，确保了鸟巢的安全。2可弯曲LED显示屏DisplayLEDScreens于2008年展出的产品digiFLEX，是在可弯曲橡胶材质上的LED显示方案，其宣称是业界第一个结合高分辨率、全彩影像并具备缩放功能的可弯曲LED显示产品。digiFLEX是将LED模块建置在可弯曲的PCB上，像素间距10mm、亮度2000cd/m2，每一块digiFLEX尺寸大小为320mm(w)x160mm(h)，每平方公尺的重量不到6公斤，只有传统LED显示屏的10分之1，具备磁性的digiFLEX可轻易安装在任何弯曲的金属表面，应用层面相当广大。36.1发光二极管当在其整流方向施加电压时，有电流注入，电子与空穴复合，其一部分能量变换为光并发射的二极管。由半导体制成，属于固体元件，连续通电时间可达105h以上。LED的发光近于单色。发光二极管是一种冷光源，是固态P-N结器件，加正向电流时发光。利用正向偏置PN结中电子与空穴的辐射复合发光的，是自发辐射发光。由于发光面积小，可以视为点光源。1907年Round首次在碳化硅晶体中发现LED的注入型发光现象。1968年GaAs红色LED灯投入市场。近年绿色、蓝色LED也已实用化。LED主要由于笔画型字符显示，各种数字仪表，家用电器的显示。随着亮度的提高，价格的下降，加之色彩齐全，其主要应用已转向室内和室外大面积多色和彩色显示。Lightemittingdiode,LED4LED的分类按颜色可分为：红、橙、黄、绿、蓝等。其中红、橙、黄、绿为传统色，蓝为新开发的品种。由于三基色红、绿、蓝的存在，根据不同的比例它们可以混合成自然界中所有色彩。故全彩LED可以扩张其应用领域。按发光强度可分为：a.普通亮度LED（发光强度<10mcd）；高亮度LED(发光强度在10～100mcd)；超高亮度LED（发光强度>100mcd）。

按制作材料可分为：GaAs、GaAsP、AlGaInP、GaP、GaAsAlP、GaN等。5点式LED字段式LED点阵式LED光柱式LEDLED的类型67LED的发光颜色8半导体发光二极管及其发展历史发光二极管Light-EmittingDiode

是由数层很薄的掺杂半导体材料制成。当通过正向电流时，n区电子获得能量越过PN结的禁带与p区的空穴复合以光的形式释放出能量。

发光效率lm/w12.555发光二极管的发展年代发光颜色材料发光效率lm/w1965红Ge0.11968橙、黄GaAsP11971绿GaP180年代红AlGaAs1090年代初红、黄GaAlInP10090年代蓝、绿GaInN5090年代蓝GaN20091011LED显示屏特点鲜艳的颜色动态表现多媒体影像表现重大讯息高效率使用实时显示号外新闻画质清晰。12根据不同环境，选择不同LED灯，视角和亮度不同；计算显示面和亮度不同。

F---室内屏;P---室外屏;S---单色图文屏;D---双色屏;V---双色视频屏;T---全彩色视频屏;H---超高亮。按象素直径分类：一般规格有Φ3mm、Φ3.75mm、Φ5mmΦ8mm、和Φ10mm等按象素间距不同：（指相邻象素管中心间距，数字单位mm）

PH10、PH8、PH16、PH20、PH26LED显示屏规格表示方法131）间距计算方法：每个像素点到另外一个像素点之间的距离每个像素点可以是一颗LED灯[如：PH10(1R)]

两颗LED灯[如：PH16(2R)]

三颗LED灯[如：PH16(2R1G)]；（人眼对不同光谱敏感强度不同，合成白光GRB强度为6：3：1）

标准象素间距与象素直径关系象素间距=象素直径×1.25

如：Φ3mm点阵，其点间距为3×1.25=3.75（mm）2）长度和高度计算方法：点间距×点数=长/高如：PH1616点长度=16点×1.6㎝=25.6㎝LED显示屏规格计算方法14LED显示屏的分类

一、根据应用场所分类根据应用场所的不同，可将LED显示屏分为户内、户外及半户外三种。151.户内屏在制作工艺上首先是把发光晶粒做成点阵模块，再由点阵模块拼接为一定尺寸的显示单元板，根据用户要求，以单元板为基本单元拼接成用户所需要的尺寸。户内屏面积一般从不到1平米到十几平米,点密度较高，

在非阳光直射或灯光照明环境使用，观看距离在几米以外，屏体不具备密封防水能力。162.户外屏在制作工艺上首先是把发光晶粒封装成单个的发光二极管，称之为单灯，一般都采用具有聚光作用的反光杯来提高亮度；再由多只LED单灯封装成像素模组，而由像素模组组成点阵式的显示单元箱体。根据用户需要及显示应用场所，以一个显示单元箱体为基本单元组成所需要的尺寸。箱体在设计上需要密封，以达到防水防雾的目的，使之适应室外环境，一般正面采用灌胶的方式来密封。

173.半户外屏

半户外屏介于户外及户内两者之间,具有较高的发光亮度,

可在非阳光直射户外下使用，屏体有一定的密封，一般在屋檐下或橱窗内。18二、根据基色分类根据所采用的LED的颜色，可将LED显示屏分为单基色、双基色、三基色（全彩）三种。191.单基色单基色：每个像素点只有一种颜色，多数用红色，因为红色的发光效率较高，可以获得较高的亮度，也可以用绿色，还可以是混色，即一部分用红色，一部分用绿色，一部分用黄色等具有具有亮度等级的单色LED显示屏称作灰度屏，富有层次感、更逼真。202.双基色每个像素点有红绿两种基色，可以叠加出黄色，在有灰度控制的情况下，通过红绿不同灰度的变化，可以组合出多种灰度颜色。1.双基色屏,不需要灰度等级。通常采用红、绿变色发光二极管作像素。都亮的点即发出橙光。2.双基色灰度屏（伪彩色）例如欲形成64种色彩，须红色、绿色各具有8级灰度形成8×8＝64种颜色21223、三基色（全彩）也称全彩色，每个像素点有红绿蓝三种基色，在有灰度控制的情况下，通过红绿蓝不同灰度的变化，可以很好地还原自然界的色彩，组合出上万种颜色。23三、根据功能分类根据屏幕所具有的功能，可将LED显示屏分为条屏，图文屏，视屏以及数码混合屏四种。。

241.条屏系列条屏系列：这类显示屏主要用于显示文字，可用遥控器输入，也可以与计算机联机使用，通过计算机发送信息。可以脱机工作。因为这类屏幕多做成条形，故称为条屏。。

252.图文屏系列这类显示屏主要用于显示文字和图形，一般无灰度控制。它通过与计算机通讯输入信息。与条屏相比，图文屏的优点是显示的字体字型丰富，并可显示图形，与视屏相比，图文屏最大的优点是一台计算机可以控制多块屏，且可以脱机显示。

263.视屏系列这类显示屏屏幕像素与控制计算机监视器像素点呈一对一的映射关系，有256级灰度控制，所以其表现力极为丰富，配置多媒体卡，视屏还可以播放视频信号。视屏开放性好，对操作系统没有限制，软件也没有限制，能实时反映计算机监视器的显示。。

274、数码混合屏系列数码屏广泛用于证券交易所股票行情显示、银行汇率、利率显示、酒店海鲜价目表、客房价目表等。多数情况下，在数码屏上加装条屏来显示欢迎词、通知、广告等。支持遥控器输入。

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28四、根据屏显示面形状分类除了常见的平面屏以外，还有曲面屏，如弧形屏、球面屏等。

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29LED显示屏的常规组装方式框架结构: 在屏幕较小时，是在工厂组装成整屏；屏幕较大时，按单元板发货。由工程人员在现场组装。组装时，先将单元板和电源分别固定在板筋背条上，进而拼装成屏体。箱体结构

:箱体与箱体之间采用定位销定位、锁紧机构拉紧，都能使安装更加精密、准确，

30LED条屏LED条屏由单元板，电源，控制卡，连线构成。单元板是LED的显示核心部件之一，由LED模块，驱动芯片和PCB电路板组成。LED模块是由很多个LED发光点用树脂或者塑料封装起来的点阵。户内条屏常用的单元板规格有：

参数：发光直径

D=3.75mm;点距4.75mm；64点宽x16点高；单红/红绿双色做一个128x16点的屏幕，只需要用2个单元板串接起来。

单元板正反面31全彩屏：显示箱体+控制系统+计算机+通讯网络+架体等组成32户外PH16

LED全彩屏实例尺寸（W×H）256mm×128mm×20mm点间距（mm）16mm像素点（点数/m2）3906点数/m2分辨率（W×H）16点×8点重量（kg/个）0．653kg/个256mm20mm128mm单位像素点构成33管芯及标准单元箱体参数

模组尺寸（W×H×H）1024mm×1024mm×180mm60°120°LED波长（Typ）封装方式视角620-625nmDIP546520-525nmDIP546465-470nmDIP546屏体波长控制在2.5nm之内，屏体亮度≥6500cd/㎡1024mm180mm1024mm正面图34室外模组背面35屏体参数屏体面积长6.144m×高4.096m=25.16m2单元箱体个数标准箱体长(个)6×高(个)4=(个)24工作中的屏模组拼合箱体拼合366.2LED工作原理与材料发光二极管是由数层很薄的掺杂半导体材料制成，一层带过量的电子，另一层因缺乏电子而形成带正电的“空穴”，当有电流通过时，电子和空穴相互结合并释放出能量，从而辐射出光。发光来源于电子与空穴复合时放出的能量。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放。这就是P-N结发光的原理。37电流注入与发光实际LED的基本结构是一个P-N结。当在P-N结上施加正向电压，即P型接正，N型接负的电压，会使能垒降低，从而使穿越能垒的电子向P型区扩散，使穿越能垒的空穴向N型区扩散的量增加。通常称此为少数载流子注入，注入的少数载流子与多数载流子发生复合从而放出光。随电压增加，达到一定值，电流急剧增加，光发射开始。电流开始增加时对应的电压相应于P-N结势垒的高度，称该电压为起始电压，起始电压随LED材料及元件的结构不同而不同，GaAs为1.0～1.2V，GaAIAs为1.5～1.7V，GaP为1.8V，SiC为2.5V等等。38LED驱动概述原始电源有各种形式，但无论哪种电源，一般都不能直接给LED供电。因此，要用LED作照明光源就要解决电源变换问题。LED实际上是一个电流驱动的低电压单向导电器件，LED驱动应具有直流控制、高效率、PWM调光、过压保护、负载断开、小型尺寸以及简便易用等特点。39InGaNLED的元件结构p-Electroden-Electrodep-GaNp-AlxGa1-xNInyGa1-yNn-AlzGa1-zNn-GaNGaNBufferLayerSapphireSubstrate正负电极都在基板的上方!!40理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即

λ≈1240/Eg（mm）

电子由导带向价带跃迁时以光的形式释放能量，大小为禁带宽度Eg，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1.59～3.26eV之间。在此能量范围之内，带隙为直接带的III-V族半导体材料只有GaN等少数材料。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。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。41X的取值三元化合物

GaPXAs1-X禁带宽度波长与颜色

X=0.2

GaAs0.8P0.2

1.66eVλ=747nm

红色

X=0.35

GaAs0.65P0.35

1.848eVλ=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的发光颜色。此即所谓的能带工程。4243可見光区的光電半导体材料波長

(纳米

)300400500600700AlGaAs

砷化銦鎵AlGaInP

磷化鋁鎵銦InGaN氮化銦鎵44人眼对光的敏感度Humaneyesaresensitivetogreenlight(~555nm),andhencethedevelopmentofgreen(oryellowishgreen)AlGaInPLEDisdesirable.45LED材料的发展历史1965年世界上的第一只商用化LED诞生，用锗制成，单价45美元，为红光LED，发光效率0.1lm/w1968年利用半导体搀杂工艺使GaAsP材料的LED的发光效率达到1lm/w,并且能够发出红光、橙光和黄光1971年出现GaP材料的绿光LED，发光效率也达到1lm/w80年代，重大技术突破，开发出AlGaAs材料的LED，发光效率达到10lm/w1990年到2001年，AlInGaP的高亮度LED成熟，发光效率达到40—50lm/w1990年基于SiC材料的蓝光LED出现，发光效率为0.04lm/w90年代中期出现以蓝宝石为衬底的GaN蓝光LED，到目前仍然为该技术46出光效率出光效率

是指P-N结辐射复合产生的光子射到外部的百分数。

换句话说，是表示器件内部的光如何有效地发射出来的参数。影响因素：半导体本身对光的吸收；材料表面的反射（晶体和空气折射率所决定的全反射）。47解决措施由于所用半导体材料的折射比空气的折射率大得多，因此，出射角度不大时，就已经形成了全内反射，使得结平面产生的光透射不出来。即使出射角度很小时，也会有一大部分光被反射回去。光线在空气界面折射时，按照菲涅尔射定律，有部分能量反射回去。为了提高光的透射率，人们想了很多措施，如用高折射率、低熔点的透明玻璃对管芯进行拱形或半球形封装。光在封装材料内，几乎是垂直地入射到空气界面，所以不会产生全内反射，这样出光效率可以提高4~7倍。48光通密度与电流密度的关系总的说来，光通密度随着电流密度的增加而成正比例增加，但不容易出现饱和，镓铝砷和镓砷磷发光二极管就是呈现这样的特性。对于一些掺杂不是很高的材料，当载流子达到一定数值后，光通密度达到饱和，再增加电流注入时，光通密度增加很少，甚至不再增加。电流密度/（mA·cm-2）光通密度（lm·cm-2）110102103110102103010-1磷化镓、绿色磷化镓、红色镓砷磷镓铝砷49相对发光亮度与环境温度的关系由于结温的升高使发光复合的几率下降，发光二极管的亮度就会下降，所以发光二极管工作的环境温度越高，所允许的耗散功率越小，允许的工作电流也就越小。即使环境温度不变，由于注入电流加大，引起结温升高，发光亮度—电流密度由线也会呈现现饱和现象。

环境温度/℃0204060120-20光致发光体发光二极管相对发光亮度50色度均匀处理技术正常情况，人的肉眼颜色分辨阀值为5nm，以红色LED为例：将两个发光波长分别为620nm和625nm的LED放在一起点亮，人的肉眼将感觉出这两个LED发出的光颜色有差异。从LED发光PN结制造来看，要批量性‘生长’同一个波长的产品是不可能的，正常情况下一张‘生长’完成后的LED芯片其发光波长在几十个nm范围内，这个是半导体发光芯片制造工艺本身的特点，因此，若采用同一波长的LED将意味着显示屏的制造成本惊人的增加——因为只能通过这样的方式解决：购买更大数量的LED，从中分选出发光波长最集中的那一部分来使用，以士兰，CREE，日亚NICHIA公司为例，销售的LED发光波长范围为8nm，要想从中分选出5nm的LED，正常情况下要增加3倍以上的订购数量。516.3LED制程工艺（红黄光系列）步骤内容前段前段主要是外延片衬底以及外延层的生长中段中段主要包括：研磨、蒸镀、光刻、切割等过程后段后段则是根据不同的需要把做好的LED封装成各种各样的形式

LED制程主要可分为三个阶段：前段、中段、后段（也称：上游、中游、下游。专业术语则为：材料生长，芯片制备和器件封装。）

52元件制作及组装技术LED的制作分前道（外延）、中道（芯片）、后道（封装）技术。具体说来，包括下述工序：由单晶生长及扩散制作P-N结形成电极；解理或划片，将晶片分割成一个个的芯片；包覆保护膜；对芯片检测分级；将芯片固定于引线框架中；引线键合；树脂封装；检查并完成成品。上游中游下游53N-GaP-SiAlGaAsGaInP-AlP-GaP-MgAuAuBeAuTiAuAuAuGeNiNi四元系LED芯片的结构，其中：P-GaP-Mg、GaInP-Al、N-GaP-Si、GaAs是前段工序完成后的产品；而上面五层和下面四层则是中段工序要做的工作。目前超高亮度发光二极管红黄光系列用AlGaInP四元系材料是性能最好的，其前段工序的主要核心技术为MOVPE。54上游成品（外延片）研磨（减薄、抛光）正面涂胶保护（P面）化学抛光腐蚀蒸镀（P面）蒸镀（N面）黄光室涂胶去腊清洗、库房去胶清洗清洗清洗涂胶前先涂光阻附着液光罩作业腐蚀金、铍合金蒸镀钛、铝（P面）套刻腐蚀铝、钛切割工序

半切

显影、定影去胶清洗涂胶去胶清洗客户要求较高的中游成品

点测一刀切客户要求不高送各封装厂显影、定影全切

55LED工艺N－GaAs（100）掺P、Te外延N－GaAs（100）N－GaAs1－xPxZn扩散N－GaAs（100）N－GaAs1－xPxP－GaAs1