LED原理培训教程.ppt

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1、发光二极管简介发光二极管简介第一章：第一章：LED原理简介原理简介发光二极管特性发光二极管特性o发光二极管简称LED (Light Emitting Diode)oLED优点l重量轻,体积小l寿命比灯泡长十倍以上l耗电量比灯泡低1/3以上l点灯速度快l色彩鲜明,辨识性优l耐震动半导体概述半导体概述l导电性介于导体与绝缘体之间l电阻因温度或掺质浓度而改变l半导体以自由电子或空穴为导电载子lP型半导体以空穴导电lN型半导体以自由电子导电l例如Si, Ge等材料半导体原子间键结半导体原子间键结l原子核最外层电子数达到8个时最稳定l例如， Si原子最外层有四个电子，当数个Si原子间键结时，则外层达到8

2、个电子而形成稳定状态化合物半导体化合物半导体l化合物半导体 (Compound Semiconductor)l由周期表不同族元素形成之化合物 例如：II-VI, III-V及,IV-IV族化合物lIII-V族化合物：光电半导体业最广泛应用之材料l例如：III族元素Al,Ga,In及V族元素N,P,As容易形成 如GaN ,GaAs,GaP,InP 等二元化合物l三元化合物：由三个元素形成之化合物l例如：AlGaAs (III,III,V)及GaAsP(III,V,V) 三族及五族总莫耳数比需为1:1AlxGa1-xAs = x AlAs + (1-x) GaAsGaAsYP1-Y = Y Ga

3、P + (1-Y) GaAsl四元化合物：由四个元素形成之化合物l例如：AlGaInP(四元高亮度LED主要发光材质) Al1-X-YGaXInYP = (1-X-Y) AlP + X GaP+ YInP导电载子种类导电载子种类l主要导电载子为电子及空穴l半导体因温度(加热)或外加电场(通电)使外层电子脱离原子核束缚l电子脱离原子核后，原来的空位则形成空穴温度电场电子空穴电子及空穴电子及空穴l电子带负电，空穴带正电l电子与空穴移动方向相反空穴空穴向左 移动电子向右移动l半导体内有许多电子与空穴移动，电子寻找空穴之位置填补空位电子位置A空穴位置BP型及型及N型半导体型半导体lP型半导体(主要导电

4、载子为空穴)lN型半导体(主要导电载子为电子)l费米Level：导电载子占住此能阶之机率密度为1/2导电带价电带P型能阶图空穴能阶电子费米LevelN型能阶图费米LevelPN型接合面型接合面(PN junction)lP型与N型半导体材料接合时，两者费米level会重叠接合P型能阶图N型能阶图PN型接合面型接合面(PN junction)lP型与N型半导体材料接合时，两者费米level会重叠P型材料N型材料PN接合面费米Level能障Egl电子及空穴需越过能障才通过接合面接合面顺向偏压顺向偏压l顺向偏压为P型材料接正极， N型材料接负极l顺向偏压可降低接合面之能障，使电子及电洞愈容易通过PN

5、接合面P型N型EcEvPN+_顺向偏压VFVFEgV= Eg - VFV逆向偏压逆向偏压l逆向偏压为P型材料接负极， N型材料接正极l逆向偏压将增加接合面之能障，使电子及电洞愈难通过PN接合面P型N型EcEv+PN_逆向偏压VRVVREgV= Eg +VR发光二极管发光二极管lP型与N型半导体材料接合时则形成一般的二极管l二极管具有单向导电功能l通顺向偏压降低接合面能障，可使二极管导电l导电时，二极管P侧空穴与N侧电子通过接合面，造成电子与空穴于接合面结合l空穴与电子之结合时，会以光或热的形式释出能量l以光形式释出能量者称为发光二极管LED发光原理发光原理l电子与空穴之复合l能阶之跃迁导电带价

6、电带动量能量直接能隙导电带价电带动量能量间接能隙l发光波长(nm) =12400Eg(eV)颜色区别颜色区别l波长与颜色的关系波长与颜色的关系l光依人眼可察觉程度可区分为光依人眼可察觉程度可区分为l可见光：波长介于可见光：波长介于760nm与与380nml不可见光：波长大于不可见光：波长大于760nm或小于或小于380nml波长愈短能量愈高波长愈短能量愈高红外紫外700650550450 400380760LED产品应用产品应用三、交通号志四、白光照明第三剎车灯方向灯仪表显示灯一、汽车尾灯二、通讯背光源讯号灯无线传输五、显示元件全彩广告牌数字显示板跑马灯LED产品类别产品类别l外延片(Epi

7、Wafer)lGaN(氮化镓)lGaAs (砷化镓)lGaP (磷化镓)l芯片(Chip)l传统低亮度黄绿光芯片(GaP)l四元高亮度红光芯片(AlGaInP)l蓝光芯片(GaN)l封装l传统灯泡(Lamp)l表面黏着型(SMD)l显示型：如点矩阵型、数字字符型及集束型上游中游下游LED外延片外延片产品规格产品规格l外延片l基本结构：外延层材质、厚度及浓度l发光材质：GaP, AlGaInP, GaNl尺寸：2“ , 3”l颜色：红, 黄, 黄绿, 蓝, 绿l顺向偏压 (Forward Voltage) ：_Vl逆向漏电流：_A 5Vl亮度(Luminous Intensity) ：_mcd

8、20mAl波长(Dominant Wavelength) ：_nml半波宽(FWHM) ：_nm波长强度LED芯片芯片产品规格产品规格l芯片l发光材质：GaP, AlGaInP, GaNl尺寸l晶粒长宽：812 mill晶粒高度：9.511 mill电极垫片大小：3.55 mill颜色：红, 黄, 黄绿, 蓝, 绿l顺向偏压 (Forward Voltage) ：_Vl逆向漏电流：_A 10Vl亮度(Luminous Intensity) ：_mcd 20mAl波长(Dominant Wavelength) ：_nmLWHBonding Pad阳极阴极金属电极LED产品规格范例产品规格范例順向

9、偏壓(V)電極材質產 品類 別Min.Typ.Max. 逆向偏壓 100A(V)波長(nm)光強度.(mcd)20mA尺寸 LWH(mil.)AnodeCathode電極墊片(mil.)顏色SR5091.32.02.41063955999.5Al(Au)Au alloy3.8SUPER REDSR5111.31.952.41063970111111Al(Au)Au alloy4.5SUPER REDSR5121.31.952.41063970121211Al(Au)Au alloy4.5SUPER REDYL5121.352.02.410591100121211Al(Au)Au alloy4.

10、5YELLOWAY5121.352.02.410598100121211Al(Au)Au alloy4.5AMBERYELLOWYO5121.352.02.410611100121211Al(Au)Au alloy4.5YELLOWORANGESO5121.352.02.410621100121211Al(Au)Au alloy4.5SUPERORANGERO5121.352.02.410624100121211Al(Au)Au alloy4.5REDORANGEHR5121.352.02.41063295121211Al(Au)Au alloy4.5HYPER REDLED外延外延(上游上游

11、)l外延(Epitaxy)：于单晶基板上沿特定方向成长单 晶晶体，并控制其厚度及掺质浓度l垫片(Substrate)：支撑成长之单晶薄膜，厚度约300350ml掺质(Doping) ：掺入P型(N型)材料改变磊晶层中主要导电载子空穴(电子)浓度l发光层(Active layer) ：发光区，电子与空穴结合l缓冲层(Buffer layer) ：缓冲外延层与垫片间因晶格差异而造成缺陷垫片缓冲层N型外延层P型外延层发光层LED外延外延(上游上游)lP型/N型披覆层(Cladding layer)l多重量子阱(MQW)l布拉格反射层(DBR, Distributed Bragg Reflector)

12、l电流分布层(Current Distribution layer)DBRMQWN Cladding LayerP Cladding LayerCurrent Distrib. LayerContactSubstrateLED外延外延(上游上游)l外延方式l液相外延(LPE)l有机金属气相外延(MOCVD)MOCVD)l分子束外延(MBE)lMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 亦称MOVPE,OMVPE,OMCVDlMOCVD为LED业界主流机台；其优点为l外延速度快：45 hrl量产能力佳：l应用领域广：LED,LD,HBTLED外延

13、外延(上游上游)l设备：MOCVDl携带气体(Carrier Gas)：H2l原料:l垫片垫片(Substrate)：GaAs, Sapphire,InPl有机金属气体有机金属气体(MO) 如TMA, TMG, TMIl其它反应气体：其它反应气体：NH3l氢化物氢化物(Hydride)如PH3, AsH3l掺质掺质如CP2Mg, DMZn, SiH4l外延环境l高温高温(550 C1100 C),l低压低压(10600 Torr)RF加热芯片载盘气体喷嘴反应腔体LED芯片芯片(中游中游)l芯片制作l电极蒸镀：减少电极电极蒸镀：减少电极(金属金属)与外延片与外延片(半导体半导体)间接触电阻间接触

14、电阻l金属垫片金属垫片Pad：导线连结导线连结l电极电极pattern ：开口率：开口率,使电流扩散使电流扩散l切粒：切粒：2”外延片约切割成外延片约切割成30,000个个ChipHBonding Pad阳极阴极金属电极LED芯片制程芯片制程(中游中游)1.下芯片2.芯片研磨3.芯片清洗N-基板NP4.金铍/金蒸镀(P)5.金-锗蒸镀(N)6.上光阻7.曝光8.显影9.硬烤10.金蚀刻11.去光阻12.高温融合13.电阻测试14.钛/铝前芯片清洗15. 钛/铝蒸镀1619. 上光阻、曝光、显影及硬烤20. 金蚀刻21.去光阻22.低温融合23.电阻测试欧姆电极制作24.上光阻32.崩裂33.分

15、类Bonding Pad制作25.曝光26.显影27.硬烤28. MESA-蚀刻29.去光阻30.切割31.点测MOCVD 机台磊晶制作成LED磊芯片N-基板NP二、芯片制程一、外延制程N-基板LED封装封装(下游下游)l封装目的l易搬运、持取使用l环境抵抗：温度、 湿度及震动l电性连结l光学结合：发光角度l热传导金属导线(金)导线架导电垫片银胶树脂芯片第二章：第二章：LED结构介绍结构介绍SubstrateLT-BufferlNitridation:利用高能的N原子改变了substrate的表面能，有利于nucleation；l:LT-Buffer: temperature, thickne

16、ss, growth rate, the duration ramp to HT-GaN, H2 partial pressure；lAnnealing condition ；A.E.Wickenden研究研究LT-GaN心得心得l衬底氮化时，温度要高，时间要短；lLT-GaN以在较低的/ ratio条件下成长为佳，这样可以减少晶核密度，可以得到较大的晶粒；l高压可以增加分解小的晶粒，以减少小的晶核而增加大晶核以及降低晶核大小的分布；l高压可以增加横向生长，限制突发的晶核形成；N-GaN GrowthlMOCVD GaN生长参数: thermal cleaning temperature, GaN buffer thickness, GaN buffer growthrate, ramping rate to epilayer growth temperature,H2 partial pressure; lN-GaN中施主类型：N空位、氧、硅、锗；lun-GaN 798cm2/V 7E16cm-3 Si:GaN 287cm2/V 2.2E18cm-3 Mg:GaN 11cm2/V 8