第七章LED发光二极管

发光二极管（LED）LED的发展LED发光原理LED芯片的制造过程LED的封装与应用未来的展望主要内容：

能源问题已成为当今人类社会的热门话题，节约能源与环保问题日趋提上议程。节能应成为各国的城市照明建设需要考虑的重要问题之一，目前约有21%的电源用于照明，如果能在固体照明领域节省一半的能源，则会对人类的节约能源作出巨大的贡献。

20世纪中叶出现在市场上的第一批LED产品，经过50多年的发展历程，在技术上已经取得了长足的进步。现在，LED的平均发光效率已达到了70lm/W（流明/瓦特），其光强已达到了烛光级，辐射光的颜色形成了包含白光的多元化色彩，并且寿命可达到数万小时。特别是在最近几年，LED的产品质量提高了近10倍，而制造成本已下降到早期的十分之一。

这种趋势还在进一步的发展之中，从而使LED成为信息光电子新兴产业中极具影响力的新产品。世界各个国家均积极参与研发工作。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GaN200LED的发展，芯片的发展可见光LED的发展史白炽灯通常只讲瓦数而不讲流明数，白炽灯最常用的瓦数有15瓦、30瓦、45瓦、60瓦、75瓦和100瓦等。LED的优点︰●寿命长,理论上为10万小時，一般大于5万小時（是荧光灯的10倍）●发热量低，耗电量小,白炽灯的1/8,荧光灯的1/3）●体积小,重量轻,可封装成各种类型，目前市面上最小的芯粒只有150um大小●坚固耐用,不怕震动。环氧树脂封装，防水，耐恶劣环境使用●多色显示,利用RGB可实现七彩色显示●工作温度稳定性好

散热好●响应时间快,一般为毫微秒(ns)級●冷光，不是熱光源●電压低,可以用太陽能電池作電源什么是发光二极管概念：半导体发光二极管是一类发射波长覆盖了可见光、红外到远红外，结构较简单的半导体发光器件。

（通常发光二极管是指发射可见光的二极管，发光光谱为390-760nm，为人眼所见。）一般短波長紅外光

高亮度長波長紅外光可見光不可見光LED波長450~780nm光波長850~1550nm850~950nm光子与电子基本上具有三种交互方式：吸收，自发放射及激发放射。原子的两能级E1和E2，E1代表基态，E2代表第一激发态。在E1基态的原子吸收光子后跃迁至激发态E2，此能态的改变为吸收；激发态原子非常不稳定，经过很短的时间，不需任何外力下会跳回基态而释放出光子，此程序为自发放射；当光子照射在激发态原子上，该原子被激发跃回基态而放出与照射原子同相释放光子，此程序称为激发放射。LED的发光原理LED在内部结构上有和半导体二极管相似的P区和N区，相交界面形成PN结。LED的电流大小是由加在二极管两端的电压大小来控制的。LED是利用正向偏置PN结中电子与空穴的辐射复合发光的，是自发辐射发光，发射的是非相干光。P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP-GaAs光输出

双异质结半导体发光二极管的结构示意图LED的工作原理理论和实践证明，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（nm）式中Eg的单位为电子伏特（eV）。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3.26～1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。

现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管。LED材料的选择

若要半导体材料发出的光为人眼所见，则禁带宽度应为1.63-3.2eV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。举例由两种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。

若以GaPxAs1-x为发光材料，则必须x<0.45，以确保其能带结构为直接带隙。X的取值GaPxAs1-x禁带宽度波长与颜色x=0.2GaP0.2As0.81.66eVλ=747nm红色X=0.35GaP0.35As0.651.848eVλ=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的颜色。此即所谓的能带工程。发光材料由图可知，这些材料的发光范围由红光到紫外线。照明领域使用的LED有两大类，一类是磷化铝、磷化镓和磷化铟的合金（AlGaInP或AlInGaP），可以做成红色、橙色和黄色的LED；另一类是氮化铟和氮化镓的合金（InGaN）,可以做成绿色、蓝色和白色的LED。发光材料大部分是Ⅲ-Ⅴ族。Ⅲ-Ⅴ族及Ⅱ-Ⅵ族元素的带隙与晶格常数的关系BlueGreenYellowOrangeWhiteRedAmberW=White(GaN)(x=0.32/y=0.31)B=Blue(InGaN)470nmV=Verde-Green(InGaN)505nmT=TrueGreen(InGaN)525nmP=PureGreen(GaP)560nmG=Green(GaP:N)570nmY=Yellow(InGaAlP)587nmO=Orange(InGaAlP)605nmA=Amber(InGaAlP)615nmS=Super-Red(InGaAlP)630nmH=Hyper-Red(GaAlAs)645nms00,10,20,30,40,50,60,70,80,900,10,20,30,40,50,60,70,8bluegreenredyellowwhiteB=Blue(GaN)466nmW=White(InGaN)(x=0.32/y=0.31)Colourtriangle

CIE色度图发光二极管的电流—电压特性和普通二极管大体一致。发光二极管的开启电压很低，GaAs是1.0伏，GaAs1-xPx大约1.5伏。GaP（红光）大约1.8伏，GaP（绿光）大约2.0伏。工作电流约为10mA。工作电压和工作电流低，使得可以把它们做的很小，以至于看作点光源，这使得LED极适宜用于光显示。LED产业分工LED外延片和LED芯片：~70%LED封装：10%~20%LED应用：10%~20%１.利润特点２.资源需求LED芯片的制造技术首先在衬低上制作各种相关基底的外延片，这个过程主要是在金属有机化学气相沉积外延炉中完成的。准备好制作基底外延片所需的材料源和各种高纯气体之后，按照工艺的要求就可以逐步把外延片做好。接下来是对LEDPN结的两个电极进行加工，电极加工也是制作LED芯片的关键工序，包括清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨；然后对LED毛片进行划片、测试和分选，就可以得到所需的LED芯片。LED制作流程分为两大部分：制作LED外延片的主要方法：气相外延（VPE）：材料在气相状况下沉积在单晶基片上，这种生长单晶薄膜的方法叫气相外延法，气相外延有开管和闭管两种方式。液相外延（LPE）：将用于外延的材料溶解在溶液中，使达到饱和，然后将单晶基片浸泡在这溶液中，再使溶液达到过饱和，这就导致材料不断地在基片上析出结晶。控制结晶层的厚度得到新的单晶薄膜。分子束外延（MBE）：在超高真空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气，经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当温度的单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。等离子体增强化学气相淀积(PECVD)：是利用高频在两平板电极之间激发气体放电形成等离子体，高化学活性的反应物可使成膜反应在较低温度下进行。金属有机化合物气相外延（MOCVD）：在气相外延生长（VPE）的基础上发展起来的一种新型汽相外延生长技术。它采用Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和Ⅴ族元素的氢化物等作为晶体生长原料，以热分解反应方式在衬底上进行汽相外延，生长各种Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄膜层单晶材料。常用的衬底主要有蓝宝石、碳化硅和硅衬底，还有GaAs、AlN、ZnO等材料。MOCVD通过控制温度、压力、反应物浓度、Ⅲ族的有机金属和Ⅴ族比例，从而控制镀膜成分、晶相等品质。MOCVD外延炉是制作LED外延片最常用的设备。利用熔合设备将蚀刻好的晶片放入该项设备，一段时间，使蒸镀金属层之间或蒸镀金属与磊晶片表层原子相互熔合，目的形成欧姆接触.利用化学药水，通常是酸性药水，将发光区裸露的金属层蚀刻掉。依晶片的晶粒晶格大小图案，作第一次切割，目的是为方便往后的晶粒点测。LED的测量参数：评价LED要涉及到很多技术指标（参数），其主要的技术指标包括：输入参数为电量的各项指标，即电学指标；主要有：正向电压VF，正向电流VI，反向漏电流IR，工作时的耗散功率PD。在高频电路中，还要考虑：结电容Cj和响应时间。输出参数为光学的指标，也含光的强弱和波长等各项指标；代表输入与输出之间电—光转换效率的指标；主要有：光功率效率η，流明效率。与LED器件性能有关的热学指标。主要有：热阻Rth，储存环境