LED结构原理与应技术课件

第三章1半导体基础知识2LED基础知识1第三章1半导体基础知识2LED基础知2LED基础知识3.3LED的基本结构

3.4LED的发光原理

3.5LED的光学特点

3.6高亮度LED芯片的产量

3.7两类高亮度LED的增长率

3.8LED芯片的制作及分类

3.9LED的技术现状及发展趋势22LED基础知识3.3LED的基本结构

3.4LED3.4发光机理白炽灯是把被加热钨原子的一部分热激励能转变成光能，发出宽度为1000nm以上的白色连续光谱。发光二极管（LED）却是通过电子在能带之间的跃迁，发出频谱宽度在几百nm以下的光。在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出。这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。33.4发光机理白炽灯是把被加热钨原子的一部分热激励能转变基础知识一.光的特性.1.光具有粒子性①光是一种以光速C运动着的粒子流，这种粒子叫光子。②光的能量是集中在光子中，光子具有一定的频率，其一个光子具有的能量为E=hf=γh.（f:光子具有一定的频率）4基础知识一.光的特性.4二．原子的能级结构A晶体的能带1．孤立原子的能级：在原子中存在着一个个分立能级，电子只能存在于这些分立的能级之上。2．两个原子的能级：每个能级已经分裂成为两个彼此靠的很近的能级。3．大量原子能带：电子不再属于个别原子，它一方面围绕每个原子运动，同时电子做共有化运动，相同能量的能级已变成许多靠得很近，分裂能级——形成带状，称为能带。4．晶体能带：半导体是由大量原子有次序的周期性排列的晶体。5二．原子的能级结构A晶体的能带5晶体的能带图EcEfEv导带Ec：空着没有电子，是自由电子占据的能带禁带Eg：无电子占据的能带Eg价带Ev

：形成化学价的电子占据的能带满带Ec：填满电子的能带注：Eg=Ec-Ev6晶体的能带图EcEfEv导带Ec：空着没有电子，是自由电子占1.玻耳兹曼统计分布在热平衡条件下，各能级上的原子数服从玻耳兹曼统计分布:式中：N2为处于高能级E2上的原子数；Nl为处于低能级E1（基态）上的原子数71.玻耳兹曼统计分布72.Femi统计规律在热平衡状态时，粒子在各能级之间的分布应服从费米统计规律。f（E）＝1/[1＋exp（E-Ef）/K0T]f（E)—能量为E被电子占据的机率（概率）Ef—费米能级。它与物质的特性有关，它只是反映电子在各个能级中分布情况的一个参量（它是抽象的不存在的一个能级）。结论：N3<N2<N1；E3>E2>E1粒子数随能级的增高，按指数减少。82.Femi统计规律8半导体的能带和电子分布（a）本征半导体；

（b）N型半导体；

（c）P型半导体B．半导体的能带图9半导体的能带和电子分布（a）本征半导体；（b）N型半导体三．光的辐射和吸收

—能级的跃进

爱因斯坦于1917年根据辐射与原子相互作用量子学论提出:光与物质相互作用将发生自发辐射、受激辐射、受激吸收三种物理过程。

10三．光的辐射和吸收—能级的跃进10(a)自发辐射(b)受激吸收(c)受激辐射图4-2能级和电子的跃迁

11(a)自发辐射(b)受激吸收(c)1.自发辐射(sp)

设E2>E1。处于高能级E2的电子是不稳定的，它将按一定的概率，自发地（无外界辐射）向低能E1上跃迁，并在跃迁的过程中发射出一个频率为f，能量为ε的光子。特点：自发辐射是独立自发跃迁,产生光为非相干光,且光子之间互不相干.释放光子的能量ε=E2-E1=hf发射光子的频率f=(E2-E1)

/h;121.自发辐射(sp)12自发辐射

---LED

工作原理如果把电流注入到半导体中的P-N结上，则原子中占据低能带的电子被激励到高能带后；当电子从高能带跃迁到低能带时，将自发辐射出一个光子，其能量为hv。电子从高能带跃迁到低能带把电能转变成光能的器件叫LED。13自发辐射

---LED

工作原理如果把电流注入到半导体中的P自发辐射的光是一种非相干光：当电子返回低能级时，它们各自独立地分别发射一个一个的光子。因此，这些光波可以有不同的相位和不同的偏振方向，它们可以向各自方向传播。同时，高能带上的电子可能处于不同的能级，它们自发辐射到低能带的不同能级上，因而使发射光子的能量有一定的差别，使这些光波的波长并不完全一样。14自发辐射的光是一种非相干光：14LED的主要工作原理对应光的自发发射过程，因而是一种非相干光源。LED发射光的谱线较宽、方向性较差，本身的响应速度又较慢，所以只适用于速率较低的通信系统及各种照明中。在高速、大容量的光纤通信系统中主要采用半导体激光器作光源。发光二极管LED15LED的主要工作原理对应光的自发发射过程，因而是一种非相干光2.受激吸收

处于低能级的电子，当受到外来的频率光f的感应，即用f＝（E2－E1）/h的光子照射时，原子中电子可以吸收光子的能量从低能级向高能级跃迁这个过程叫受激吸收。162.受激吸收16受激吸收--光接收器件原理如果把光照射到占据低能带的电子上；则该电子吸收光子能量后，激励而跃迁到较高的能带上。在半导体PN结上外加电场后（反向电压），可以在外电路上取出处于高能带上的电子，使光能转变为电流。 这就是将在后面章节中叙述的光接收器件。17受激吸收--光接收器件原理如果把光照射到占据低能带的电子上3.受激辐射（st）处于高能E2的电子受到外来光子hf的感应，发射一个与感应光子一模一样的全同光子即频率、相位、偏振方向和传播方向相同。受激辐射条件：外来光子的能量hf外≥E2-E1特点：外来光子与感应光子为全同光子.结论：如果外来光子代表的是输入光波，则输出光波至少就增加了1倍，而入射光子得到了放大，这是激光产生的物理基础。183.受激辐射（st）18在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带；如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出；这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。受激辐射--半导体激光器发光原理19在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带；受激辐射--图3.2.2光的自发辐射、

受激辐射和吸收20图3.2.2光的自发辐射、

受激辐射和吸收20LED的发光原理图3-5LED的发光示意图

发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）、AlGaInP（磷化铝镓铟）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-V特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。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LED的注入式电致发光原理。当它处于正向工作状态时，电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

21LED的发光原理图3-5LED的发光示意图发光二极管是由LED为什么会发不同颜色的光?22LED为什么会发22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，由光的量子性可知：hf=Eg其中h为普朗克常量6.63×10^-34J·s,f为频率据f=c/λ（c=3*10^8m/s

）可得λ=hc/Eg≈1240/Eg（mm）LED发射波长的公式推导EcEfEv导带禁带Eg价带满带23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）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。EcEfEv导带Ec禁带EgEg价带Ev满带Ec24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Ec2525一般短波長紅外光

高亮度長波長紅外光可見光不可見光LED波長450~780nm光波長850~1550nm950~1550nm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。26一般短波長紅外光高亮度長波長紅外光可見光不可見光LED波長以下是各色光谱图蓝色波长47027以下是各色光谱图蓝色波长47027以下是各色光谱图绿色波长54028以下是各色光谱图绿色波长54028以下是各色光谱图红光波长65029以下是各色光谱图红光波长65029以下是各色光谱图白色色温6500K30以下是各色光谱图白色色温6500K30以下是各色光谱图黄色波长61031以下是各色光谱图黄色波长61031色温显色指数色度学中LED光源两个重要参数光源自身的颜色：用色温来评价。光源的显色性：用显色指数评价光源的颜色特性32色温色度学中LED光源两个重要参数光源自身的颜色：用色温来评色度图可用来表示所有颜色的色度特性。色度图中心为白点（非彩色点），光谱轨迹上的点代表不同波长的光谱色，是饱和度最高的颜色，越接近色度图中心（白点），颜色的饱和度越低。围绕色度图中心不同的角度，颜色的色调不同。色度图色品图CIE1931,色坐标，1931年国际照明委员会确认三刺激值作为颜色的基准色，其他颜色可以从三刺激组合而成，因为三个坐标值之和X+Y+Z=1,所以色坐标往往用（x，y）表示。33色度图可用来表示所有颜色的色度特性。色度图中心为白点（非光谱三刺激值与光谱色色度坐标的关系式

34光谱三刺激值与光谱色色度坐标的关系式34色温：当某种光源的色度(坐标)与某一温度下的黑体色度(坐标)相同时，就称此时黑体的温度为该光源的颜色温度，简称色温，用符号Tc表示，单位为开尔文，用“K”表示。例如：某光源的光色与黑体加热到绝对温度2400K所发出的光色相同时，则光源的色温为2400K，它在CIE1931色度图上的坐标为x=0.4862，y=0.4147。35色温：当某种光源的色度(坐标)与某一温度下的黑体色度(坐标)注意：色温只是一种描述光源颜色的量值，色温相同的光源它们的光谱组成可能会有很大的不同。另外，它与光源本身的温度无关。36注意：色温只是一种描述光源颜色的量值，色温相同的光源它们的光光源的显色性光源的显色性是光源颜色特性的又一方面，即物体在光源照明下所呈现颜色的真实性。真实的标准：日光下和火光下

白炽灯的光谱分布与火光类似，显色性很好。具有与白炽灯和日光相似的连续光谱的光源均有较好的显色性。37光源的显色性光源的显色性是光源颜色特性的又一3838光源显色性的评价

将待测光源下与参照标准光源下标准样品的颜色相比较，偏差越小，则待测光源的显色性越好。参照光源的显色指数Ra=100，当待测光源下与参照标准光源下的标准样品颜色相同时，则此光源的显色指数为100，显色性最好。反之，颜色差异越大，显色指数越低。

39光源显色性的评价将待测光源下与参照标准光源下标准样品LED:What’sinside?ApackagedLEDelectrodessemiconductorchipepoxydomebondwires“silvercup”reflectorDifferentpartsofanLEDLED主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。3.3LED的基本结构40LED:What’sinside?ApackagedL4141electrodessemiconductorchipepoxydomebondwires“silvercup”reflectorDifferentpartsofanLEDLED主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。LED芯片42electrodessemiconductorepoxybLed芯片的分类LED芯片有两种基本结构，水平结构（Lateral）和垂直结构（Vertical）。水平结构LED芯片的两个电极在LED芯片的同一侧，电流在n-和p-类型限制层中横向流动不等的距离。垂直结构的LED芯片的两个电极分别在LED外延层的两侧，由于基底和全部的p-类型限制层作为第二电极，使得电流几乎全部垂直流过LED外延层，极少横向流动的电流，可以改善水平结构的电流分布问题，提高发光效率，也可以解决P极的遮光问题，提升LED的发光面积。水平型垂直型43Led芯片的分类LED芯片有两种基本结构，水平结构（La市场上几种常见的芯片Semileds垂直结构HPO垂直结构BRIDGELUX水平结构FI水平结构44市场上几种常见的芯片SemiledsHPOBRIDGELUX垂直金属衬底LED两种芯片发光形式垂直结构45垂直金属衬底LED两种芯片发光形式垂直结构45水平结构蓝宝石InGaN衬底LED65%左右的光从正面发出，35%的光从侧面发出46水平结构蓝宝石InGaN衬底LED65%左右的光从正面发出，水平型结构Led侧面出光路线47水平型结构Led侧面出光路线47垂直芯片制造技术制造垂直结构LED芯片技术主要有三种方法：

一、采用碳化硅基板生长GaN薄膜，优点是在相同操作电流条下，光衰少、寿命长，不足处是硅基板会吸光。二、利用芯片黏合及剥离技术制造。优点是光衰少、寿长，不足处是须对LED表面进行处理以提高发光效率。三、是采用异质基板如Si基板成长GaN薄膜，优点是散热好、易加工。48垂直芯片制造技术制造垂直结构LED芯片技术主要有三种垂直型芯片性能介绍当前市场LED芯片主要有两种结构：垂直型和水平型垂直型产品以CREE芯片为代表特点主要是：光效高：最高可达186lm\w，节能；电压低：蓝光在2.8~3.3V；热阻小：芯片本身的热阻小于1°C/W;亮度高：由于采用垂直结构，电流垂直流动，电流密度均匀，耐冲击型强；同一尺寸芯片，发光面宽，亮度高。光型好：85%以上光从正面发出，易封装，好配光；唯一的缺点就是：不方便集成封装。若要集成封装，芯片需做特殊处理。49垂直型芯片性能介绍当前市场LED芯片主要有两种结构水平型芯片性能介绍

水平型产品以普瑞芯片为代表，芯片的主要特点是：光效一般：最高在120lm\w左右；电压高：蓝光在3.0~3.8V；热阻高：使用蓝宝石衬底导热性差。芯片本身的热阻在4-6°C/W;亮度一般：由于采用水平结构，电流横向动，电流密度不均，容易局部烧坏；为弥补这一缺陷，在芯片的上表面做ITO（纳米铟锡金属氧化物，具有很好的导电性和透明性，可以切断对人体有害的电子辐射、紫外线及远红外线。因此，铟锡氧化物通常喷涂在玻璃、塑料及电子显示屏上，用作透明导电薄膜，同时减少对人体有害的电子辐射及紫外、红外。

）.ITO将以减少出光为代价。同一尺寸芯片，发光面窄，亮度低。光利用率低：65%左右的光从正面发出，35%的光从侧面发出，靠反射来达到出光，利用率相对较低。唯一的优点就是：便于集成封装。不过，它也是缺点，由于没解决好散热，所以集成封装只有加速它的衰减，不可取。

50水平型芯片性能介绍水平型产品以普瑞芯片为代表，芯外延生长芯片前工艺研磨、切割点测、分选检测入库LED芯片制造工艺流程图51外延生长芯片前工艺研磨、切割点测、分选检测入库LED芯片制造外延生长52外延生长52外延生长：MO源（高纯金属有机化合物是生长半导体微结构材料的支撑材料。

）及NH3（氨气

）由载气传输到反应室，以质量流量计控制气体流量，反应物进入反应室后经载气传输到衬底表面反应形成外延薄膜。主要设备有MOCVD（气相外延生长技术

）、活化炉、X-Ray、镭射打标机等。

53外延生长：MO源（高纯金属有机化合物是生长半导体微结构材料的蓝宝石衬底GaN缓冲层N型GaN:Si多量子阱有源区（InGaN/GaN）P型GaN：MgP型InGaN-金属接触层外延结构示意图外延片（wafer）54蓝宝石衬底GaN缓冲层N型GaN:Si多量子阱有源区（ILED外延片的衬底材料考虑的因素1、衬底与外延膜的结构匹配：外延材料与衬底材料的晶体结构相同或相近、晶格常数失配小、结晶性能好、缺陷密度低;2、衬底与外延膜的热膨胀系数匹配：热膨胀系数的匹配非常重要，外延膜与衬底材料在热膨胀系数上相差过大不仅可能使外延膜质量下降，还会在器件工作过程中，由于发热而造成器件的损坏;3、衬底与外延膜的化学稳定性匹配：衬底材料要有好的化学稳定性，在外延生长的温度和气氛中不易分解和腐蚀，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降;4、材料制备的难易程度及成本的高低：考虑到产业化发展的需要，衬底材料的制备要求简洁，成本不宜很高。衬底尺寸一般不小于2英寸。目前能用于商品化的衬底目前只有两种，即蓝宝石和碳化硅衬底55LED外延片的衬底材料考虑的因素1、衬底与外延膜的结构匹芯片工艺56芯片工艺56一、前工艺

前工艺主要工作就是在外延片上做成一颗颗晶粒。简单的说就是ChipOnWafer的制程。利用光刻机、掩膜版、ICP（电感耦合等离子光谱发生仪

）、蒸镀机等设备制作图形，在一个2英寸的wafer片上做出几千~上万颗连在一起的晶粒。芯片工艺一般分为前工艺、后工艺、点测分选三部分57一、前工艺芯片工艺一般分为前工艺、后工艺、点测分选三部分5目前生产的芯片主要有：小功率：07*09mil、08*12mil、08*15mil12*13mil、10*16mil…背光源：10*23mil…高功率：45*45mil…

1mil密耳=1/1000inch=0.00254cm=0.0254mm

581mil密耳=1/1000inch=0.00254cm=0.做透明导电层SubstrateP--GaNN--GaN前工艺UVSubstrateN--GaNP--GaNmaskUVITO做透明导电层SubstrateP--GaNN--GaNITO电极做透明导电层SubstrateP--GaNN--GaNITO电极二氧化硅保护层1-MESA（刻台阶）3-做电极4-做保护层2-做透明导电层（ITO）59做透明导电层SubstrateP--GaNN--GaN前工艺单颗晶粒前工艺后成品图60单颗晶粒前工艺后成品图60点亮后点亮后点亮后点亮后61点亮后点亮后点亮后点亮后61相关设备用于LED光罩对准曝光微影制程。该设备是利用照相的技术，定义出所需要的图形，因为采用感光剂易曝光，得在黄色灯光照明区域内工作，所以其工作的区域叫做「黄光区」单电子枪金属蒸镀系统

光罩对准曝光机

用于金属蒸镀（ITO，Al，Ti，Au，Ni，Mo，Pd，Pt，Ag）；金属薄膜欧姆接触蒸镀(四元LED，蓝光LED，蓝光LD)制程。62相关设备用于LED光罩对准曝光微影制程。该设备是利用

介电质薄膜厚度及折射率量测

光谱解析椭圆测厚仪

高溫快速熱处理系統

杂质热退火处理金属接面合金处理63介电质薄膜厚度及折射率量测光谱解析椭圆测厚仪高溫快速熱IPQC

（In-ProcessQualityControl）IPQC主要是对芯片的电性参数做检测，然后品保会根据电性参数来判定晶片是继续下道工序还是需要返工，检测的电性参数主要有：Vf（正向电压）Iv（亮度）ESD（抗静电能力）Ir（逆向电流）Wd（波长）64IPQC

（In-ProcessQualityContr二、后工艺

后工艺是将前工艺做成的含有数目众多管芯的晶片减薄，然后用激光切割成一颗颗独立的管芯。研磨切割设备：研磨机、抛光机、清洗台、粘片机、切割机、裂片机。芯片工艺一般分为前工艺、后工艺、点测分选三部分65二、后工艺芯片工艺一般分为前工艺、后工艺、点测分选三部分65后工艺切割裂片研磨抛光陶瓷盘晶片背面朝上AA0234YBBT18AA0234YBBT18AA0234YBBT18切割研磨抛光从晶片背面劈裂，劈开后晶粒完全分开研磨是减薄厚度的主要来源，衬底从450um减少至100um抛光可以使背表面更光滑，并且可以减少应力裂片激光切割后的切割线66后切研磨抛光陶瓷盘晶片背面朝上AA0234YBBT18AA0研磨机晶片研磨晶片拋光陶瓷盘研磨抛光67研磨机晶片研磨晶片拋光陶瓷盘研磨抛光67JPSA激光切割机AA0234YBBT18AA0234YBBT18AA0234YBBT18切割激光切割后的切割线68JPSAAA0234YBBT18AA0234YBBT18AA里德劈裂机从晶片背面劈裂，劈开后晶粒完全分开裂片AA0234YBBT1869里德从晶片背面劈裂，裂片AA0234YBBT1869贴膜机清洗机用于Wafer切割前，把Wafer很好的贴于切割用膜的表面。用于Wafer切割后，把Wafer表面经切割后留下的污物冲洗干净。70贴膜机清洗机用于Wafer切割前，把Wafer很好的贴

点测分选的主要工作：1.点测大圆片或方片上每一颗晶粒电性和光学性能；2.将大圆片按照条件表分成规格一致的类型；3.吸除外观不良部分，并贴上标签。设备简介：点测机、分选机、显微镜等点测、分选芯片工艺一般分为前工艺、后工艺、点测分选三部分71点测分选的主要工作：点测、分选芯片工艺一般分为前工艺分选机点测机72分选机点测机72FQC:负责检验各种规格的方片或大圆片的电性和外观，合格后判定等级入库。ORT:抽样进行封装、老化测试。检测入库大圆片方片73FQC:负责检验各种规格的方片或大圆片的电性和外观，合格后判芯片荟萃74芯片荟萃74LED的分类75LED的分类75767677777878797980803.5.2LED的优点813.5.2LED的优点81CapabilityComparisonBetweenLightSourceinMachineVision照明光源类型82CapabilityComparisonBetween1)效率高:按照通常的光效定义，LED的发光效率并不高(一般为10～30lm/W，目前已知光效最高的白色LED光效可以达到551lm/W)，但由于LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，效率可以达到80%～90%；而对于光效差不多的白炽灯，其可见光效率仅为10%～20%。

2)光线质量高:由于光谱中几乎没有紫外线和红外线，故热量小，辐射低，LED属于典型的绿色照明光源。

3)光色纯:与白炽灯全频段光谱不同，典型的LED光谱狭窄，发出的光线很纯。LED光源较传统光源的优点831)效率高:按照通常的光效定义，LED的发光效率并不高(一般4)电压适度且功耗低:LED使用低压电源，供电电压为6～24V，根据产品不同而异，