LED电子显示技术

1第1页/共104页2白光LED的原理和应用第2页/共104页3白色LED照明灯地砖灯礼品灯手电筒第3页/共104页4360°LED环形显示器第4页/共104页5360°LED环形显示器第5页/共104页6发光二极管(LED)第6页/共104页7发光二极管(LED)第7页/共104页8发光二极管(LED)第8页/共104页9电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境稳定性：10万小时，光衰为初始的50%响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级.发光二极管(LED)第9页/共104页10对环境污染：无有害金属汞颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成。发光二极管(LED)第10页/共104页11发光二极管(LED)发光二极管及发光二极管显示器(LED)LED用材料及发光机制LED的制作工艺各种LED及其特性LED显示器的各种用途及发展前景LED的其他应用研究课题与展望第11页/共104页121.1发光二极管

发光二极管（lightemittingdiode，LED），顾名思义，是由半导体制作的二极管的一种。众所周知，二极管具有整流作用，即在其两极上施加电压时，仅能单方向通过电流。所谓发光二极管是指当在其整流方向施加电压（称为顺方向）时，有电流注人，电子与空穴复合，其一部分能量变换为光并发射的二极管。这种LED由半导体制成，属于固体元件,工作状态稳定、可靠性高，其连续通电时间（寿命）可达105h以上。LED元件与一般半导体元件一样，也被称为芯片（chip），其尺寸通常为数百微米见方，是很小的。LED的发光颜色，与白炽灯等发出的白色光等不同，而是近于单色光，换句话说，其发光的光谱是很窄的。通过选择半导体材料，目前生产的发光二极管可以发射红外、红、橙、黄、绿、蓝等范围相当宽的各种各样的颜色。发光二极管(LED)第12页/共104页13LED的开发经历及今后展望

LED的注人型发光现象是1907年H.J.Round在碳化硅晶体中发现的。1923年O.W.Lossew在S的点接触部位观测到发光，从而使注人型发光现象得到进一步确认。1952年J.R.Haynes等在锗，硅的P－N结，以及1955年G.A.Wolff在GaP中相继观测到发光现象。一般认为，至此为LED的萌芽期发光二极管(LED)第13页/共104页1420世纪60年代可以说是基础技术的确立时期。从1962年Pankove观察到GaAs中P－N结的发光开始，相继发表关于GaAs，GaP，GaAsP，ZnSe等单晶生成技术、注人发光现象的大量论文，1968年GaAsP红色LED灯投人市场，1969年R.H.Saul等人发表GaP红色LED的外部发光效率达7.2％，从此实用化的研究开发加速展开此后，在70～80年代，由于基板单晶生长技术、P－N结形成技术、元件制造、组装自动化等技术的迅速进步。近年来，采用高辉度红色、绿色LED的平面显示元件已广泛用于各种信息显示板。对于最难实现的蓝色LED，采用了SiC，数年前也达到了实用化，已有显示灯产品供应市场发光二极管(LED)第14页/共104页152.1晶体结构及能带结构

LED的发光来源于电子与空穴发生复合时放出的能量。作为LED用材料，一是要求电子与空穴的输运效率要高；二是要求电子与空穴复合时放出的能量应与所需要的发光波长相对应，一般多采用化合物半导体单晶材料。众所周知，在半导体中，根据晶体中电子可能存在的能态有价带、导带、禁带之分。来自半导体单晶的发光，是穿越这种材料固有禁带的电子与价带的空穴复合时所产生的现象。

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Si、Ge等IV族元素单晶半导体的晶体结构，属于图7－2（a）所示的金刚石结构；GaAs、GaP、ZnSe等化合物半导体的晶体结构，属于图7－2（b）所示的闪锌矿结构；GaN具有如图7－2（c）所示的纤锌矿结构，属于六方点阵。

半导体元素，有大家所熟知的、位于周期表上第IV族的S、Ge，它们作为半导体集成电路用材料，在现代电子工业中起着不可替代的作用。LED用材料，有由III族的Al、Ga、n与V族的N、P、As等两种以上元素相结合而成的Ill—V族，由II族的Zn与VI族的S、Se相结合而成的II—VI族，由Si与C相结合而成的IV—IV族等化合物半导体。发光二极管(LED)第16页/共104页17发光二极管(LED)第17页/共104页18

一般说来，能带结构与晶体结构关系很大，化合物半导体的能带结构与金刚石型的能带结构相类似。表7－1给出各种半导体晶体的特性。发光二极管(LED)第18页/共104页19半导体材料晶体结构能带结构禁带宽度/eV(300K)点阵常数/ÀSi金刚石间接1.125.43Ge金刚石间接0.665.66AlP闪锌矿间接2.455.46GaP闪锌矿间接2.245.45InP闪锌矿直接1.354.87AlAs闪锌矿间接2.135.66GaAs闪锌矿直接1.435.65GaN纤锌矿直接3.39a=3.18b=5.16ZnSe闪锌矿直接2.675.67SiC(α)六方晶间接2.86a=3.08b=15.12发光二极管(LED)第19页/共104页20为了制取发光效率高的LED，在电子与空穴发生复合放出能量时，除了要考虑复合前后的能量之外，还应保持动量守恒。可获得最高发光效率的复合过程是电子与空穴的最初动量相同，因复合而放出的能量全部变成光，而动量却不发生变化，这种情况如图7-3(a)所示。其能带结构的特点是，在价带顶与导带底不存在动量差，这种半导体发生的复合称为直接跃迁型。发光二极管(LED)第20页/共104页21发光二极管(LED)第21页/共104页22

对于电子与空穴的初始动量不同的情况，为了保持动量守恒，需要热、声等晶格振动参与迁移过程，因此发生复合的几率变得很低，这种初始动量不同的电子、空穴的复合称为间接跃迁型，其能带结构如图7-3(b)所示。发光二极管(LED)第22页/共104页23发光二极管(LED)第23页/共104页24

另外，如图7-3(c)所示，通过在导带与价带之间加人被称作等电子捕集器(isoelectronictrap)的杂质中心，也可以使像GaP这种间接迁移的情况达到很高的发光效率。发光二极管(LED)第24页/共104页25发光二极管(LED)第25页/共104页262.2发光机制及发光波长

LED的发光源于电子与空穴的复合，其发光波长是由复合前空穴和电子的能量差决定的。对于直接跃迁型材料，晶体发光的波长决定于禁带宽度Eg，发光波长可由关系式λ=1240/Eg求出。为了得到可见光，Eg必须在1.6eV以上。如图7-3所示．在能带结构中，由于导带、价带都为抛物线形状，因此发光谱两端都会有不同程度的加宽现象，其半高宽一般为30～50nm。发光二极管(LED)第26页/共104页27

红外LED中一般使用直接迁移型材料，如GaAs，GaAlAs，InGaAsP等。但也有用掺杂Si的GaAs制作的LED，通过在比价带高的能量位置形成的所谓受主能级与导带的电子发生复合的机制，其发光波长为940nm，比GaAs禁带宽度对应的发光波长880nm更长些。发光二极管(LED)第27页/共104页28

红色LED的中心材料是以Zn-O对作为发光中心的GaP，Zn-O对在其中起等电子捕集器的作用。GaP为间接跃迁型，在其中导入杂质Zn-O对作为发光中心，已实现较高效率的红色LED，发光波长为700nm，晶体不发生自吸收现象，可以在低电流密度下获得高辉度。

发光二极管(LED)第28页/共104页29在橙色、黄色LED中，使用的是以N为等电子捕集器的GaAsP；在绿色LED中，使用的是掺杂有高浓度N的间接迁移型GaP。而且，在纯绿色LED中，正在使用不掺入杂质的GaP。发光二极管(LED)第29页/共104页30

蓝色LED需要采用禁带宽度大的材料已经在研究开发的有SiC，GaN，ZnSe，ZnS等。SiC是容易形成P-N结的材料，属于间接跃迁型，依靠掺入杂质Al和N能级间的跃迁产生发光。GaN，ZnSe，ZnS为直接跃迁型，可获得高辉度发光。这些材料的研究开发近年来获得重大突破，高辉度蓝色LED正在达到实用化。发光二极管(LED)第30页/共104页312.3电流注入与发光

实际LED的基本结构要有一个P-N结。当在P-N结上施加顺向电压，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。发光二极管(LED)第31页/共104页322.4发光效率、光输出及亮度注入LED的载流子变换为光子的比率称为内部量子效率；而射出晶体之外的光子与注入载流子之比称为外部量子效率。由于在P-N结附近发生的光会受到晶体内部的吸收以及反射而减少，一般说来，外部量子效率要低于内部量子效率。市售LED产品的外部量子效率，红色的大约为15％，从黄色到绿色的则在0.3％～l％范围内，蓝色的大约为3％。发光二极管(LED)第32页/共104页33

LED的发光效率与其能量收支相关，其数值可表示为载流子向P-N结的注入效率、载流子变为光的变换效率、产生的光到达晶体外部的光取出效率三者的乘积。为获得较高的发光效率，一般要采取各种措施，例如在结构上采取让光通过一般说来吸收率较小的N型半导体，为防止由于晶体表面反射造成的损失，在晶体表面涂覆高折射率的薄膜等等。发光二极管(LED)第33页/共104页34

对于显示用可见光LED来说，不仅仅是要求光输出要大，重要的是与视感度相关的发光效率。人眼的视感度对555nm的绿色出现峰值，而后急速下降。光输出中与视感度相关的部分称为光度，光度是显示用可见光LED的辉度指标。发光二极管(LED)第34页/共104页352.5变频特性

在LED中，由容抗及电阻决定的时间常数非常小，因此其调频速度决定于载流子的寿命τ，而后者与载流子注人之后，经过复合，再到载流子消失所用的时间相对应。也就是说，随着注人电流的变化加速，载流子密度逐渐不能追随注人电流的变化，响应速度变慢，发光强度慢慢下降。与低周波变频时相比，当高周波变频时的发光强度降低1.5dB时的周波数称为截止周波数fc，并由下式表示fc=1/(2πτ)发光二极管(LED)第35页/共104页36

在LED中，发光强度与截止周波数通常按折衷（(trade-off)关系处理。载流子寿命τ长，发光延续的时间亦长，从而发光强度高，但同时截止周波数变低。通过在活性区高浓度掺杂杂质，因存在晶体缺陷及俄歇效应等，非发光复合的比例增加，从而可使载流子寿命变短。在要求高速响应的光通讯用红外LED中，截止周波数从数十兆赫到100MHz以上；另一方面，在高辉度可见光LED中，截止周波数大致在IMHz上下。发光二极管(LED)第36页/共104页372.6LED与激光二极管

如果说LED是由向P-N结注人电流的载流子复合时放出光（自然发射光）并向外取出的元件，激光二极管（LD）则进一步是通过所设置的光波导及共振器等，将放出光的一部分返回，并利用诱导放出，使光的强度升高的发光振器。所谓诱导放出，是通过光对活性区大量存在的电子与空穴状态多次激发，使其发生复合，放出光，而放出光的位相与此时输人光的位相相同，因此光的强度增强。

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图7-7表示LD的基本构造及其能带结构。在薄的活性层两侧，用禁带宽度比活性层的禁带宽度更宽的半导体形成P－N结。发光二极管(LED)第38页/共104页393.1单晶制作技术利用水平布里奇曼（Bridgman）法（又称为HB法或舟皿生长法）及液体保护旋转提拉法（又称为液体保护切克劳斯基（Czochralski）法或LEC法）可以制备这种块状单晶，这两种方法都属于可以获得大型基板单晶体的熔液生长法。GaP单晶可由图7-8所示的LEC法单晶拉制装置来制造。发光二极管(LED)第39页/共104页40发光二极管(LED)第40页/共104页41GsAs单晶由控制温差的HB法制作发光二极管(LED)第41页/共104页42对于其他材料来说，正在进行制作的有外延三元混晶（GaAsP，InGaP，InGaAs等）用的基板单晶，如InGaAs（LEC法）及InGaP（蒸汽压控制法），II-VI族化合物单晶如ZnSe（布里奇曼法、seededphysicalvaportransport法、带籽晶的物理气相输运法）、ZnS（碘输运法）、SiC（升华法）等关于单晶生长，今后的研究课题是，减少杂质、提高组成及杂质分布的均匀性，减少缺陷及位错密度。因此，生长过程的计算机模拟及生长中的监控越来越重要。目前正在研究开发的有通过装有籽晶的超声波传感器，对生长中晶体的结晶生长进行监控的方法，通过X射线透视装置进行监控的方法等。而且，单晶的分析评价技术对于单晶体的制作来说是必不可少的。发光二极管(LED)第42页/共104页433.2外延技术

液相外延（liquidphaseepitaxy，LPE）法从原理上说是溶液冷却法，即利用溶解度相对于温度的变化，通过饱和溶液的冷却，使过饱和的溶质部分在基板表面析出的方法。在LPE法中，利用源的烘烤，可以获得高纯度的优良单晶，而且生长速率大，现已用于GaP，GaAs，InP系的LED的批量化生产。红、绿色LED用的GaP，红色LED用的GaAIAs，红外LED用的GaAs，长波长LED用的InGaAsP都是通过LPE法制作的。发光二极管(LED)第43页/共104页44

从原理上说是溶液冷却法，即利用溶解度相对于温度的变化，通过饱和溶液的冷却，使过饱和的溶质部分在基板表面析出的方法。发光二极管(LED)第44页/共104页45发光二极管(LED)第45页/共104页46

气相外延（vaporPhaseepitaxy，VPE）法，如图7－11所示，是使III族金属源气体与V族卤化物或氢化物通过开管式反应而进行的气相生长法，适合批量生产，目前红、橙、黄色LED用的GaAsP就是用这种方法制作的。发光二极管(LED)第46页/共104页47发光二极管(LED)第47页/共104页48

分子束外延（molecularbeamepitaxy，MBE）法，如图7－12所示，是使PBN小孔坩埚中的固体加热气化，得到的分子束射向加热到一定温度的基板单晶上进行单晶生长的方法。其特点是组成、膜厚的可控制性及均匀性都很好发光二极管(LED)第48页/共104页49发光二极管(LED)第49页/共104页50

有机金属化学气相沉积（metal－organicchemicalvapordeposition，MOCVD）法，对于Ill-V族化合物来说，是以Ill族金属的烷基金属化合物为原料，V族元素以氢化物为原料的气相生长法；以H2为载带气体，在常压或减压的气氛中，在加热到一定温度的基板单晶上，在保持V族元素过剩的条件下，使气相原料之间发生反应的单晶生长法。其装置示意见图7-13。其特点与MBE相似，组成、膜厚的可控制性及均匀性都很好，是适于批量生产的单晶生长法。发光二极管(LED)第50页/共104页51发光二极管(LED)第51页/共104页523.3掺杂技术向化合物半导体单晶中掺杂杂质有各种不同的方法。在LPE法中，通过向熔液中添加各种杂质，即可获得具有所要求的电导率、特定载流于浓度的单晶体。在VPE、MBE、MOCVD方法中，或者使固态的杂质蒸发，或者添加含有杂质的气态化合物，以获得所要求的电导率及载流子浓度等。掺人杂质的量可以独立控制，重复性、可控制性都较好。扩散掺杂仍然是最重要的掺杂方法之一。扩散掺杂法分闭管式（真空闭管式）和开管式两种，后者操作简单，适合于大直径晶片及批量化生产。发光二极管(LED)第52页/共104页53发光二极管(LED)第53页/共104页54近年来，出现一些新的扩散方法，例如通过Zn及S的离子注人层以及电子束（electronbeam，EB）蒸镀的Si层，利用快速灯退火进行掺杂，但由于易产生晶体缺陷及结浅等原因，不适于LED的制作。选择扩散用掩模一般用SiO2及SiNx等，但由于它们与GaAs的热膨胀系数不同容易造成应变等，在与掩模的界面处，会产生由扩散引起的所谓“鸟嘴”现象。为了防止其发生，可用Si作扩散掩模，而在进行Si的扩散时，可以用Si膜作扩散源。今后的课题是提高掺杂的均匀性以及采用无掩模的选择掺杂技术等发光二极管(LED)第54页/共104页553.4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。发光二极管(LED)第55页/共104页56

对LED的检查项目包括：VI特性，CV特性，电流—辉度（功率）特性，发光峰波长，发光谱半高宽，响应速度，发光效率，温度特性，角度特性，寿命等；此外还有电流、电压、温度的最高允许值等。对光通讯应用来说，需要测定光输出，截止周波数，在光纤端的输出，耦合损失，指向特性，静电破坏特性等。在上述的LED组装、检查工艺中，还需要实现自动化以提高效率、降低价格。发光二极管(LED)第56页/共104页57在LED领域，最近十余年间，在单晶生长方法、新材料等的研究方面获得了十分突出的进展最常见的红光LED，十余年间其光度得到飞跃性的提高。其原因是由于采用了由直接跃迁型化合物半导体GaAIAs构成的双异质结结构，目前已出现轴上光度超过3000mcd（20mA）的制品。在橙、黄色LED中，采用红色LED所用的材料GaAsP，使其发光波长缩短，再加上近年来新开发的InGaAlP混晶材料，实现了高辉度LED。发光二极管(LED)第57页/共104页58在LED领域，难度最大的当数蓝色LED。研究人员针对SiC、GaN、ZnSe、ZnS等材料已经进行过多年的研究开发。但是，对于这些材料来说，由于存在难以实现的问题，例如难以实现P型单晶，不能得到大块的基板单晶，不容易做成具有优良结晶性的P-N结等一系列问题，很难制作与其他颜色LED的亮度相匹配的蓝色LED元件，自然也就谈不上批量生产。但是在最近数年间，在各种各样的材料方面都获得十分显著的技术进步，已经生产出亮度可与高辉度红色LED相匹敌的蓝色LED制品。发光二极管(LED)第58页/共104页594.1GaP：ZnO红色LED

GaP红色LED于1970年前后开始工业化生产，为LED的主要产品类型。现在的可见光LED灯中，利用GaP材料的占相当大的比例。基板单晶为GaP，通过LPE法形成发光用的P-N结。在这种LED中，发光机制是基于间接跃迁型半导体中等电子捕集器杂质中心的发光，以Zn-O最近邻对作为发光中心，可以获得实用的发光效率（批量生产时5％，最高达15％）。这种LED在高电流密度区域，发生效率达到极限值，因此多数在低电流下使用。其显示元件彩色鲜明，灵巧轻便，多用于室内的各种机器设备中。发光二极管(LED)第59页/共104页604.2GaP：N绿色LED

绿色LED的发光效率近年来也获得显著提高。绿色LED的材料与上述的掺ZnO的红色LED的材料相同，也是GaP，即在GaP基板单晶上用LPE法形成发光用的P-N结。一般市售绿色LED按其发光峰值波长的大小可分为二大类，一类是为了提高发光效率，在生长层中添加与P属于同族的氮（N）作为等电子捕集器，这种LED的发光峰值波长为565nrn，为略带黄色的绿色，尽管发光效率较低，一般为0.3％～0.7％，但相对视感度比红色高10倍以上，显得非常明亮。其轴上光度一般在500mcd（20mA）以上，也可用于室外显示器。另一类为纯绿色LED，在制作过程中不添加氮，其发光峰值波长为555nm。发光效率比前一类要低，但也可以制作出发光效率高于0.1％的制品，其轴上光度可以达到200mcd（20mA）较高的值。发光二极管(LED)第60页/共104页614.3GaAsP系红色LED

在GaAsP系单晶体中，随着GaAs1-xPx的成份比x的变化，可以获得从红外（x=0）到绿色（x=1）的发光。先在单晶基板上通过VPE法生长N型GaAsP，而后经扩散Zn，形成发光用的P-N结。当基板单晶采用GaP时，由P-N结（x=0.55的GaAs1-xPx单晶）发出的峰值波长为650nrn的光受基板单晶的吸收少，从而可提高LED的发光效率，其发光效率在批量生产的情况为0.2％，而最高可达0.5％。对于GaAsP以及GaP红色LED来说，随着GaP基板单晶生长技术的完善，发光层结晶性的提高以及掺杂技术的改进，其发光效率不断提高，辉度年年都有改进。随着批量生产技术的不断完善，上述两种红色LED的价格都降到较低的水平。发光二极管(LED)第61页/共104页624.4GaAsP系橙色、黄色LED

采用GaAsP的橙色·黄色LED，其基板单晶为GaP，利用VPE法形成发光用的P-N结。当GaAs1-xPx的组成比x与红色LED的相比逐渐变大时，发光波长会向短波长方向转变。与此相伴，为了改善其能带结构为间接迁移型的缺点，掺入1018m-3的氮作为等电子捕集器发光中心，以提高其发光效率。x值为0.65及0.75时，分别对应发光峰值波长为630nrn及610nrn的橙色LED，其发光效率大致在0.3％～0.6％。随着x的进一步增加，对应发光峰值波长为590nrn（x=0.85）及583nrn（x-0.90）的黄色LED，但其发光效率减小到0.1％～0.2％左右。发光二极管(LED)第62页/共104页634.5GaAlAs系LED

Ga1-xAIxAsLED为发光峰值波长为660nm的红色LED，它是为了克服前述的GaP及GaAsP红色LED因达到饱和，辉度难以提高的缺点而开发的。如图7-15所示，在X<0.35（直接迁移型）的范围内，随着改变AI与As的组成比，Ga1-xAIxAs的发光峰值波长可从640nm到900nm的范围内变化。外延生长采用通常的LPE法，由于与GaAs基板单晶的晶格匹配性好，生长层的晶体缺陷少。发光二极管(LED)第63页/共104页64

为了改善发光效率，在Al的组分高、带隙宽的GaAIAs中，采用了光取出效率较高的单异质结（SH）结构，在此基础上还进一步开发了将发光层夹于其间，将载流子封闭于发光层之内的双异质结（DH）结构。对基板单晶也采取了措施，例如不采用GaAs，而是采用对于发光峰值波长（660nm）透明的GaAIAs等，以提高光的取出效率。发光二极管(LED)第64页/共104页65

由于采取了上述一系列措施，发光效率获得惊人的提高，以批量生产的外部量子效率（发光效率）为例，采用SH结构的可达3％（轴上光度500mcd，20mA），采用DH结构的可达15％（轴上辉度3000mcd，20mA）。因此，其应用领域正在向汽车用的高亮度后制动信号灯及道路状况显示板、广告牌等室外用的各种显示器扩展。发光二极管(LED)第65页/共104页66发光二极管(LED)第66页/共104页674.6InGaAlP系橙色、黄色LEDInGaAIP是近年来达到实用化的混晶材料，具有直接跃迁型能带结构。利用这种材料可以提高橙·黄色LED的辉度。特别是，由InP与Ga1-xAIxP构成的In0.5(Ga1-xAIx)0.5P混晶，与GaAs基板单晶的晶格匹配，混晶比x从0到0.6前后（对应的发光波长从660nrn到555nm）为直接迁移型，因此可期望制作出从红色到绿色范围相当宽的高发光效率LED。

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采用上述InGaAIP已开发出高辉度（光度1000mcd以上）橙色（约620nm）LED。晶体生长采用减压MOCVD，并形成双异质结结构。同时，为了提高内部发光效率，需要采用最佳杂质浓度及平面度、平整度要求严格的基板单晶。发光二极管(LED)第68页/共104页69

图7-16为InGaAIP橙色LED元件的断面结构，图7-17表示其发光光谱。对于黄色LED（波长590nm）来说，在研究阶段就已经达到与橙色LED相同程度的光度（1000mcd）特别是最近，在采用光阻断基板的同时，通过在元件内部形成电流扩散层及黑色反射层等，已开发出发光峰值波长566nrn，光度800mcd的黄绿色LED。发光二极管(LED)第69页/共104页70发光二极管(LED)第70页/共104页714.7GaN系蓝色LED

GaN具有直接跃迁型能带结构，从发光效率来说占有优势，但是存在难以获得大块基板单晶、很难制作P型单晶等问题。为此，采用VPE法，在蓝宝石基板单晶上生长N型GaN，在其单晶生长面上通过扩散Zn形成I层，由此得到了具有MIS结构的蓝色LED，其发光效率为0.03％，当电流为10mA时轴上光度达到10mcd。但是存在重复性很差等不少问题，为了实现高辉度需要提高材料的结晶性以及降低工作电压等，必须采取新的单晶生长方法来制造。发光二极管(LED)第71页/共104页72

为此，采用MOVPE法在蓝宝石基板单晶上以低温沉积的氮化铝（AIN）为缓冲层，进行GaN的生长，获得了质量比较高的单晶体。有人进一步通过电子束照射处理，证明此法对受主杂质的活性化十分有效，并且首先制成了显示P型电导性的GaN单晶体。这种单晶体是将掺杂有镁（Mg）的高电阻率GaN（GaN：Mg）经电子束照射，使其电气特性发生变化，由此获得电阻率大致为数十欧·厘米的P型单晶。这种GaN层的P型化，通过热退火处理也可以实现，而且用GaN代替AlN作缓冲层，可以获得更高载流子浓度的P型层。发光二极管(LED)第72页/共104页73

基于上述技术，最近GaN系蓝色LED的特性得到明显提高。据报道，由于在发光层中采用了由InGaN构成的DH结构，在发光波长450nrn的蓝色LED中，光度已达到2500mcd；在发光波长500nm的蓝绿色LED中，光度已达2000mcd。上述数据已与目前采用GaAIAs的高辉度红色LED的亮度不相上下，而比市售绿色LED的亮度还要高，实现了人们多年来一直追求的目标。图7-18给出具有InGaN／AIGaN双异质结（DH）结构的蓝色LED的示意图。发光二极管(LED)第73页/共104页74发光二极管(LED)第74页/共104页754.8SiC蓝色LED

在最早投入市场的蓝色LED中用的材料就是SiC，与其他材料不同的是，SiC比较容易获得P型单晶。SiC蓝色LED的发光辉度，与红色、绿色LED等相比，还略逊一筹，但随着单晶生长技术的改进，其发光效率正在逐步提高。在LED的制作中，基板单晶采用6H型的SiC，利用LPE法或VPE法制作P-N结。最近，通过采用SiC基板单晶，在1700℃上下形成P-N结，以提高材料的结晶性，在精确控制的条件下，利用氮施主和Al受主形成D-A对发光中心，在可靠性提高的同时，其发光效率获得飞跃性的提高，辉度已达到30mcd（20mA）。这种SICLED的制作工序如图7-19所示。发光二极管(LED)第75页/共104页76

关于SiC大型基板单晶的生长，一般采用真空升华法，需要2300oC的高温，以多晶SiC为原料并置于高温端，而在低温端设SiC籽晶，可以长成高20mm的SiC单晶。采用这种方法还能获得具有N型或P型电导性的单晶体。据报道，已有长成直径34mm，高14mm的N型SiC单晶。显然，基板单晶生长技术的进展对于促进SiC蓝色LED的批量化生产是极为重要的。从目前的发展趋势看，SiC蓝色LED今后在提高发光效率、改善工艺、降低价格等方面会出现快速的发展。发光二极管(LED)第76页/共104页77发光二极管(LED)第77页/共104页784.9II-VI族蓝色LED

在II-VI族化合物中，ZnSe、ZnS室温下的能隙宽度分别为2.7eV和3.7eV，而且为直接迁移型半导体材料，极有希望用于高发光效率的蓝色LED，而且近年来已获得十分显著的进步。晶体生长方法以MBE和MOCVD为主，由于属于低温生长而且可保持原料的纯度，从而能获得优质的单晶体，而且，杂质的掺杂可精确控制。上述因素为其在LED中的应用创造了很好的条件。目前，II-VI族化合物半导体LED的制作尚处于研究开发阶段，但有报告指出，采用ZnSe基板的试制品具有相当高的发光效率。为了使采用II-VI族半导体材料的短波长发光器件达到实用化，还有不少问题需要解决，如与P型层间欧姆电极的制作，提高器件的可靠性，降低价格等，都需要进一步研究开发。发光二极管(LED)第78页/共104页794.10全彩色LED

目前，由全彩色LED构成的大屏幕显示器正在试制中，一般是由SiC或GaN等蓝色LED与由其他材料构成的红、绿色LED相组合，构成混合型全彩色LED泡。最近各国都在采用前述的高发光效率的SiC蓝色LED，GaP红色及绿色LED，并做成LED泡，制成包括纯白色发光在内的可以多色发光的全彩色LED。图7-20表示全彩色LED显示泡的结构，图7-21表示全彩色LED在CIE色度图上的发光色度坐标。为做成产品，需要进行封装，包括引线键合，浇注或模压透明树脂，采取相应的散热措施，引出电极等。由这种全彩色LED矩阵布置构成大屏幕显示器，颜色鲜明、醒目，具有比一般显示器更接近自然的色彩，作为高品位信息及图像显示器具有良好的发展前景。发光二极管(LED)第79页/共104页80发光二极管(LED)第80页/共104页814.11红外LED

尽管红外LED的用途与普通显示器的用途不同，在此也略加介绍。红外LED的材料主要是GaAs，P型及N型杂质都用Si，通过改变LPE单晶生长的条件，可控制Si原子的置换位置（置换Ga原子或As原子），并由此形成P-N结。相应于这种情况，发光由深受主能级与导带间的迁移引起，与GaAs的带隙相对应，发光波长是相当长的，发光效率很高，接近20％，但响应速度慢。作为不需要高速响应的光耦合器、光分离器等复合光学器件应用更为广泛。对于要求高速响应的情况，在牺牲发光效率的情况下，或采用Zn扩散的LED，或者由GaAIAs构成的DH结构。在这种情况下，波长降为900nm或更低。此外，最近在照相机的自动聚焦等需要高输出的场合，以及远程控制用光源等，都在使用带有由GaAIAs制作的DH结结构的高输出型红外LED。发光二极管(LED)第81页/共104页82

LED在我们的日常生活中屡见不鲜，广泛应用于家用电器、音响设备、汽车及照相机等产品中。在这些产品中，LED或者用作显示元件，通过颜色、数字、文字、符号等显示机器设备的工作状态，向使用者提供必要的信息，或者用作各种用途的发光光源。在一些发达国家，LED显示器的应用更为普遍。从小店铺的营业标志到大商场的商品广告，从加油站的价目牌到大饭店的大厅壁画以及闹市区的公共告示牌、运动场的比赛成绩显示板等都在应用LED，其显示鲜明、醒目，动态效果极好。在交通运输领域的应用有自动售票机、进站自动检票口的信息显示，火车车厢内到站站名、时刻显示、站内列车时刻表、到达和发车车次显示板等。在公路两旁，都设有采用LED的夜间交通指示标志、交叉路口路标指示、前方道路通行状态显示等，由于大型动态的红、黄色LED显示板极为鲜明、醒目，无疑为汽车司机提供了很大的方便。下面，针对LED在显示器中的基本应用，分别加以简单介绍。发光二极管(LED)第82页/共104页835.1指示灯

在LED的应用中，首先应举出的是各种类型的指示灯、信号灯等。以前，作为显示用光源，一直采用普通钨丝白炽灯泡，但存在耐振性差、易破碎等问题。随着LED的登场，特别是鉴于LED的许多优点，指示灯目前正处于更新换代中。通常，LED的寿命在数十万小时以上（在规定的使用条件下），为普通白炽灯泡的100倍以上。而且具有功耗小、发光响应速度快、亮度高、小型、耐振动等特点，在各种应用中占有明显优势。发光二极管(LED)第83页/共104页845.2数字显示用显示器利用LED进行数字显示，有点矩阵型和字段型两种方式。点矩阵型如图7-25所示，使LED发光元件纵横按矩阵排列，按需要显示的文字只让相应的元件发光。为进行数字显示，每个数字通常需要7行5列的矩阵，共35个元件。除数字之外，还可显示汉语拼音字母、英文字符、罗马字符、日文片假名等，其视认性也很好。但是，从驱动的简便性及价格等方面考虑，笔段型显示方式更为有利。发光二极管(LED)第84页/共104页85发光二极管(LED)第85页/共104页86

笔段型数字显示器如图7-26所示，在LED芯片的周围设置反射框，芯片上方或者装有光扩散用的散扩片，或者通过混有光扩散剂（三氧化二铝的微细粉末等）的环氧树脂，将芯片与其周围的结构模注在一起，则由一个LED即可构成长方形的均匀发光面。反射框所围的LED作为一个笔段单位，大小可以变化，由此可以形成任意尺寸的数字显示元件。笔段型显示中，多数为7笔段型及16笔段型（见图7-27）发光二极管(LED)第86页/共104页87发光二极管(LED)第87页/共104页885.3阵列显示器

将笔段显示用的反射框按各种各样的形式直线排列，可对各种变化的量进行连续显示，如果再使用不同发光颜色的LED芯片，则可以对大量信息进行全彩色连续显示。音响设备用的分频音量水平显示器（见图7-29）以及汽车用平面转速显示器等都是采用阵列显示器的实例。发光二极管(LED)第88页/共104页89发光二极管(LED)第89页/共104页905.4单片型平面显示器

单片型LED显示元件是在同一基板单晶上使发光点形成字段状或矩阵状的平面显示元件。这种显示元件的特点是，在保证高密度像素的前提下，可实现超小型化，其新的用途会不断得到开发。图7-30是单片型GaP绿色LED平面显示元件的结构（点矩阵型）的实例。每个发光部分的尺寸及节距分别是0.23mmX0.23mm，及0.28mm，在11.2mmX11.2mm大小的单晶表面上可形成40×40=1600个像素。发光二极管(LED)第90页/共104页91发光二极管(LED)第91页/共104页925.5混合型平面显示器

混合型平面显示器与单片型不同，是在组装基板上使每个LED芯片排列成矩阵状，构成显示元件。当用于大型画面时，通常3000～4000个像素构成一个模块，在实装基板的背面设置驱动回路，按瓦块状排列。例如，利用GaP多色LED芯片，该芯片可发出从红色到绿色的任何中间色的光，按96X64=6144个像素排列的平面显示元件已达到实用化。发光二极管(LED)第92页/共104页935.6点矩阵型平面显示器

目前，用于室内或室外显示，采用LED点矩阵型模块的大型显示器正在迅速推广普及。由于采用LED点矩阵型模块结构，显示板的大小可由LED发光点纵横密排成任意尺寸；发光颜色可以是从红到绿的任意单色，红、绿、橙三色、多色，甚至全色；灰度可从十数阶到几十阶分阶调节；与专用IC相组合，也可由电视信号驱动，进行电视、录相显示。

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模块结构可分为两大类