LED原理培训教程1.ppt

發光二極管簡介,惠州富济先进材料有限公司 LED导电胶、硅胶、陶瓷板等原材料供应商 联系人：王先生 联系电话第一章：LED原理简介,惠州富济先进材料有限公司 LED导电胶、硅胶、陶瓷板等原材料供应商 联系人：王先生 联系电话發光二極管特性,發光二極管簡稱LED (Light Emitting Diode) LED優點 重量輕,體積小 壽命比燈泡長十倍以上 耗電量比燈泡低1/3以上 點燈速度快 色彩鮮明,辨識性優 耐震動,惠州富济先进材料有限公司 LED导电胶、硅胶、陶瓷板等原材料供应商 联系人：王先生 联系电话半導體概述,導電性介於導體與絕緣體之間 電阻因溫度或摻質濃度而改變 半導體以自由電子或空穴為導電載子 P型半導體以空穴導電 N型半導體以自由電子導電 例如Si, Ge等材料,惠州富济先进材料有限公司 LED导电胶、硅胶、陶瓷板等原材料供应商 联系人：王先生 联系电话半導體原子間鍵結,原子核最外層電子數達到8個時最穩定 例如， Si原子最外層有四個電子，當數個Si原子間鍵結時，則外層達到8個電子而形成穩定狀態,化合物半導體,化合物半導體 (Compound Semiconductor) 由週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 III-V族化合物：光電半導體業最廣泛應用之材料 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 三元化合物：由三個元素形成之化合物 例如：AlGaAs (III,III,V)及GaAsP(III,V,V) 三族及五族總莫耳數比需為1:1 AlxGa1-xAs = x AlAs + (1-x) GaAs GaAsYP1-Y = Y GaP + (1-Y) GaAs 四元化合物：由四個元素形成之化合物 例如：AlGaInP(四元高亮度LED主要發光材質) Al1-X-YGaXInYP = (1-X-Y) AlP + X GaP+ YInP,導電載子種類,主要導電載子為電子及空穴 半導體因溫度(加熱)或外加電場(通電)使外層電子脫離原子核束縛 電子脫離原子核後，原來的空位則形成空穴,電場,電子,空穴,電子及空穴,電子帶負電，空穴帶正電 電子與空穴移動方向相反,空穴向左 移動,電子向右移動,半導體內有許多電子與空穴移動，電子尋找空穴之位置填補空位,電子位置A,空穴位置B,P型及N型半導體,P型半導體(主要導電載子為空穴) N型半導體(主要導電載子為電子) 費米Level：導電載子佔住此能階之機率密度為1/2,導電帶,價電帶,空穴,電子,費米Level,PN型接合面(PN junction),P型與N型半導體材料接合時，兩者費米level會重疊,接合,PN型接合面(PN junction),P型與N型半導體材料接合時，兩者費米level會重疊,P型材料,N型材料,PN接合面,費米Level,電子及空穴需越過能障才通過接合面接合面,順向偏壓,順向偏壓為P型材料接正極， N型材料接負極,順向偏壓可降低接合面之能障，使電子及電洞愈容易通過PN接合面,逆向偏壓,逆向偏壓為P型材料接負極， N型材料接正極,逆向偏壓將增加接合面之能障，使電子及電洞愈難通過PN接合面,+,P,N,_,逆向偏壓,VR,惠州富济先进材料有限公司 LED导电胶、硅胶、陶瓷板等原材料供应商 联系人：王先生 联系电话發光二極管,P型與N型半導體材料接合時則形成一般的二極管 二極管具有單向導電功能 通順向偏壓降低接合面能障，可使二極管導電 導電時，二極管P側空穴與N側電子通過接合面，造成電子與空穴於接合面結合 空穴與電子之結合時，會以光或熱的形式釋出能量 以光形式釋出能量者稱為發光二極管,LED發光原理,電子與空穴之復合 能階之躍遷,直接能隙,間接能隙,顏色區別,波長與顏色的關係 光依人眼可察覺程度可區分為 可見光：波長介於760nm與380nm 不可見光：波長大於760nm或小於380nm 波長愈短能量愈高,LED產品應用,三、交通號誌,四、白光照明,LED產品類別,外延片(Epi Wafer) GaN(氮化鎵) GaAs (砷化鎵) GaP (磷化鎵) 芯片(Chip) 傳統低亮度黃綠光芯片(GaP) 四元高亮度紅光芯片(AlGaInP) 藍光芯片(GaN) 封裝 傳統燈泡(Lamp) 表面黏著型(SMD) 顯示型：如點矩陣型、數字字元型及集束型,上游,中游,下游,LED外延片產品規格,外延片 基本結構：外延層材質、厚度及濃度 發光材質：GaP, AlGaInP, GaN 尺寸：2“ , 3” 顏色：紅, 黃, 黃綠, 藍, 綠 順向偏壓 (Forward Voltage) ：_V 逆向漏電流：_A 5V 亮度(Luminous Intensity) ：_mcd 20mA 波長(Dominant Wavelength) ：_nm 半波寬(FWHM) ：_nm,波長,強度,LED芯片產品規格,芯片 發光材質：GaP, AlGaInP, GaN 尺寸 晶粒長寬：812 mil 晶粒高度：9.511 mil 電極墊片大小：3.55 mil 顏色：紅, 黃, 黃綠, 藍, 綠 順向偏壓 (Forward Voltage) ：_V 逆向漏電流：_A 10V 亮度(Luminous Intensity) ：_mcd 20mA 波長(Dominant Wavelength) ：_nm,LED產品規格範例,LED外延(上游),外延(Epitaxy)：於單晶基板上沿特定方向成長單 晶晶体，並控制其厚度及摻質濃度 墊片(Substrate)：支撐成長之單晶薄膜，厚度約300350m 摻質(Doping) ：摻入P型(N型)材料改變磊晶層中主要導電載子空穴(電子)濃度 發光層(Active layer) ：發光區，電子與空穴結合 緩衝層(Buffer layer) ：緩衝外延層與墊片間因晶格差異而造成缺陷,墊片,緩衝層,N型外延層,P型外延層,發光層,LED外延(上游),P型/N型披覆層(Cladding layer) 多重量子阱(MQW) 布拉格反射層(DBR, Distributed Bragg Reflector) 電流分佈層(Current Distribution layer),DBR,MQW,N Cladding Layer,P Cladding Layer,Current Distrib. Layer,Contact,Substrate,LED外延(上游),外延方式 液相外延(LPE) 有機金屬氣相外延(MOCVD) 分子束外延(MBE) MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 亦稱MOVPE,OMVPE,OMCVD MOCVD為LED業界主流機台；其優點為 外延速度快：45 hr 量產能力佳： 應用領域廣：LED,LD,HBT,LED外延(上游),設備：MOCVD 攜帶氣體(Carrier Gas)：H2 原料: 墊片(Substrate)：GaAs, Sapphire,InP 有機金屬氣體(MO) 如TMA, TMG, TMI 其它反應氣體：NH3 氫化物(Hydride)如PH3, AsH3 摻質如CP2Mg, DMZn, SiH4 外延環境 高溫(550C1100C), 低壓(10600 Torr),RF加熱,晶片載盤,氣體噴嘴,反應腔體,LED芯片(中游),芯片製作 電極蒸鍍：減少電極(金屬)與外延片(半導體)間接觸電阻 金屬墊片Pad：導線連結 電極pattern ：開口率,使電流擴散 切粒：2”外延片約切割成30,000個Chip,H,Bonding Pad,陽極,陰極,金屬電極,LED芯片製程(中游),1.下晶片 2.晶片研磨 3.晶片清洗,N-基板,N,P,4.金鈹/金蒸鍍(P) 5.金-鍺蒸鍍(N),6.上光阻 7.曝光 8.顯影,9.硬烤 10.金蝕刻,11.去光阻 12.高溫融合 13.電阻測試,14.鈦/鋁前晶片清洗 15. 鈦/鋁蒸鍍 1619. 上光阻、曝光、顯影及硬烤 20. 金蝕刻 21.去光阻 22.低溫融合 23.電阻測試,歐姆電極製作,24.上光阻,32.崩裂 33.分類,Bonding Pad製作,25.曝光,26.顯影 27.硬烤,28. MESA-蝕刻,29.去光阻 30.切割 31.點測,MOCVD 機台磊晶 製作成LED磊晶片,N-基板,N,P,二、芯片製程,一、外延製程,N-基板,LED封裝(下游),封裝目的 易搬運、持取使用 環境抵抗：溫度、 濕度及震動 電性連結 光學結合：發光角度 熱傳導,金屬導線(金),導線架,導電墊片,銀膠,樹脂,芯片,第二章：LED结构介绍,惠州富济先进材料有限公司 LED导电胶、硅胶、陶瓷板等原材料供应商 联系人：王先生 联系电话Advantage of LP-MOCVD,A great advantage for controlling the gas flow; Provides good controllability of thickness and hetero-interface; Easy to realize a multi-wafer reactor and mass production;,Substrate,LT-Buffer,Nitridation:利用高能的N原子改变了substrate的表面能，有利于nucleation； :LT-Buffer: temperature, thickness, growth rate, the duration ramp to HT-GaN, H2 partial pressure； Annealing condition ；,A.E.Wickenden研究LT-GaN心得,衬底氮化时，温度要高，时间要短； LT-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； 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； 高压可以增加横向生长，限制突发的晶核形成；,N-GaN Growth,MOCVD GaN生长参数: thermal cleaning temperature, GaN buffer thickness, GaN buffer growthrate, ramping rate to epilayer growth temperature,H2 partial pressure; N-GaN中施主类型：N空位、氧、硅、锗； un-GaN 798cm2/V 7E16cm-3 Si:GaN 287cm2/V 2.2E18cm-3 Mg:GaN 11cm2/V 8E17cm-3,InGaN MQW外延的困难,生长In基氮化物需要高的氮平衡蒸汽压，以阻止In-N键的分解； GaN/InGaN间的晶格不匹配（临界厚度），对于AlGaN/InGaN 影响更大； InGaN Well&Barrier间界面质量不好控制； 高In含量下InGaN薄膜的相分离问题；,惠州富济先进材料有限公司 LED导电胶、硅胶、陶瓷板等原材料供应商 联系人：王先生 联系电话MQW辐射复合机制,MQW中In的浓度在空间中发生波动，在能带中形成了深的尖顶或“量子点”，激子对限制于局部最小值，并且在尖点处形成了一个极佳的辐射复合中心； 由于MQW中压电场的存在而归因于量子限制Stark效应（QCSE），该压电场起因于InGaN、GaN的晶格不匹配而出现的应变。通过QCSE（量子限制Stark效应）模型，压电场导致了能带的“弯曲”，进而引起了电量的分离以及发射的“红移”，“红移”的幅度由压电场的强度及MQW厚度决定；,影响活性层特性的因素,量子阱数目-由于空穴迁移率很低，则空穴注入不好，并且电子空穴在MQW中分布也不均匀； 活性层厚度； 压电场效应-压电场会使电子与空穴在空间分开，减少其结合几率； Barrier层的Si-Doping-可以降低压电场的效应，增加量子阱的均匀性；,P-GaN Growth,1.MOCVD外延GaN:Mg时需注意Mg的时间延迟效应，并注意生长速度和温度； 2.气压及五三比高可以得到空穴动度及迁移率高的GaN材料； 3.Cp2Mg的流量和Mg及空穴浓度有关，但是Mg浓度超过一定限制时，空穴浓度反而下降，而且材料质量变差且有裂纹-高浓度的Mg自己补偿产生深施主能级（因此Mg浓度有一定限制）。,The Activation of p-GaN,LEEBI (low-energy electron-beam irradiation) in N2 ambient; 外延后热处理-much simpler, cheaper and reproducible; 外延时热处理-外延生长后，降温至退火温度然后将Reactor环境改成N2原位退火； 热处理时加UV光照射-光激发电子也可以减少Mg-H的稳定性，有助于降低退火温度； N2环境下生长GaN:Mg；,降低p-GaN接触电阻的方法,用化学溶液处理wafer表面（王水）； 金属沉积并且退火（Ni/Au在空气或O2中氧化）； 利用p-GaN/AlGaN超晶格，在表面附近形成极化场； 利用p-GaN上应变的InGaN接触层，由于tunneling transport的增强会使空穴浓度上升而不需任何化学热处理；,第三章： LED增加亮度的方法,How DBR Can Enhance Brightness Why Roughness Can increase Brightness Buried micro reflectors Flip Chip Method Micro Disc Interconnect Surface Emitting GaN LED Methods（in Nan Ya） of Enhance Brightness Other Famous LED Maker LED Structures Future Work(We can invent and get patterns),Why External Efficiency is so Low?,How DBR Can Enhance Brightness,Why Roughness Can increase Brightness,Intrinsic reflection for Traditional LED R=（3.5-1/3.5+1）2=0.31=31（Air） R=（3.5-1.5/3.5+1.5）2=0.16=16（Expocy）,Anti-Reflection Coating,Buried micro reflectors,combination of wafer bonding using metal layers and the introduction of buried micro-reflec