LED结构及原理讲述.ppt

红光LED结构 从上向下看 n型砷化镓基板 n型AlGaAs 大bandgap材料 p型活跃层 小bandgap材料 即发光层 决定发光波长 1 42eV 850nm附近 红外范围 可以通过调整Al的含量 使之在红光范围发光 化合物半导体中增加Al 会使bandgap变大 p型AlGaAs 大bandgap材料 器件为双异质结构 即小bandganp材料夹在2个大bandgap材料之间 随后是一层caplayer 介电层 电极 此图是长完累晶层后翻过来的结果 原因 基板是GaAs 1 42eV 发红外光 只要波长短于红外的光 它会吸收所有可见光 造成中间发光层发出的光全部被基板吸掉 至少有一半的光被吸掉 所以要翻过来 在基板上挖个洞 形成top down方式 大部分LED都是面射型 也是翻过来top down InP为基板 1 35eV 也会吸可见光 但图中为红外LED 如何看出红外 InGaAsP 1 33 1 5eV 发光层是narrowbandgap材料 上下2个InP都是largebandgap材料 标准的双异质结 无需再衬底挖洞 让光出来 没有翻过来 没有用到异质结构 简单的pn型 GaP N是发光层 GaP 简介带隙 效率不高 2 26eV 接近绿光 边射型LED 红光结构 双异质结 发光层为narrowbandgap材料 夹在2个largebandgap材料之间 边射型发光不会太强 大部分光被基板吸掉 1980年以前 高亮度可见光LED 四元化合物半导体制作方法 n GaAs做基板 Si较少用 会有晶格不匹配问题 n AlInP中掺铝 带隙扩大 发光层是MQW结构 p AlGaP MgII族 II族元素掺入 族元素中 形成p型半导体 两边为为大bandgap材料 蓝绿光LED通常用2种基板 蓝宝石 有杂质时呈现蓝色 无杂质时是透明的 其bandgap很大 因此可见光不会被它吸收掉 制作方法 在外延生长之前 需使用一项非常重要的技术 缓冲层技术 bufferlayer 通常要在约500度低温生长 而非1000度以上高温 这一层质量并不好 但作用很重要 再长一层n型GaN 随后是MQW结构做发光层 再长一层p型GaN 再接上电极 contact N型电极不能接在下面 必须有两个frontcontact 原因 制造过程结构特点 电极 好处是什么 不用牺牲一部分发光区域 SiC基板导电 有什么问题 早期红黄光LED GaP AlGaInP GaAsabsorbingsubstrate GaAs 5 10um的薄膜 20 50um 光到下面后 会被金属反弹回来 VPE Vaporousphaseepitaxy 气相外延生长 NoneabsorbingredyellowLED结构 假设是GaP基板 不加窗口层 直接把p typecontactelectrode接在上面 产生问题 接触电极很薄 电流来不及散开 直接向下流 电流不散开 集中在金属电极的下面 电流密度会非常高 致使光电转换效率下降 经验 物理曲线数值增大到一定程度 就会趋缓 达到饱和 原因 可能是热效应 也可能是其它饱和效应 使光电转换效率开始衰竭 因此 不希望在某个特定区域 电流密度太高 如果电流无法散开 过于集中在金属电极区域 会使绝大部分的发光也集中在金属电极区域下方 当光打到金属接触区域时 会被挡住 使光线无法散开 如何使光能够散开 withwindowlayer 加一层很厚的窗口层 其厚度是发光层厚度的十倍 甚至百倍 因为这一层很厚 电流有足够的机会散开 散开之后的作用 1 使各点的电流密度降低 光电转换效率就可以提高 2 使发光区域变大 被上面金属挡住的区域所占比例就会减小 LED发光效率就会有较大提升 HighBrightnessBlueLEDs 蓝宝石基板 低温生长缓冲层 累晶质量不太好 高品质n GaN 大bandgap材料 中间夹MQW结构 InGaN是narrowbandgap区域 GaN是largebandgap区域 长5 10个周期 再长largebandgapp型层 n electrode要吃掉一部分累晶层区域 直到n型区域 将n型金属接触做在上面 此结构遇到一个问题 电流散不开 怎么办 电流都集中在p contact下面 发出的光都在p contact下面 是否可以加窗口层 无法加很厚的窗口层 原因 蓝宝石基板和GaN晶格不匹配 在1000度长完晶后 降温过程中 外延层开始弯曲 因此 上面的累晶层不能长太厚 事实上 其总厚度大约在5um以下 蓝宝石的厚度在大约300 400um之间 如果累晶层厚度超过10或20um 冷却后 弯到一定程度 累晶层就会裂开 因此 无法长很厚的GaN窗口层 要解决此问题 必须想其他办法 p contact下面长一层特殊材料 会导电 又能透过可见光 2种可能选择 A 仍然用金属 只是把金属变得很薄 但金属变薄后 出现新问题 其导电能力会迅速下降 电流散开的能力会随之降低 B ITO 透明导电材料 HighBrightnessLEDsonCIEChromaticityDiagram RGBLED都包括 高亮度LED在色坐标图中的标准位置 R G B三色LED的光谱分布图 红光LED的半高宽 即波长分布最窄 绿光LED半高宽较宽 蓝光LED的半高宽介于二者之间 因为不是很理想的单一波长的光 因此不会刚好落在色坐标图边缘上 红光的半高宽小 离边缘近 绿光偏向中间 525 505 498nm 另外 设计色坐标时 绿光被刻意拉大也是一个原因 蓝光也比较靠近边缘 626 615 605 590 为 p 最高强度所对应的波长 LED芯片介绍 1 LED芯片分类介绍2 不同结构LED芯片的性能简介3 垂直结构LED芯片的制成 Led芯片的结构 LED芯片有两种基本结构 水平结构 Lateral 和垂直结构 Vertical 横向结构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 由于图形化电极和全部的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 可以改善平面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 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件下 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 寿命长 不足处是须对LED表面进行处理以提高发光效率 三 是采用异质基板如硅基板成长氮化镓LED磊晶层 优点是散热好 易加工 目前主流Led结构剖析 两种芯片发光形式 水平型结构Led出光路线 垂直型芯片性能介绍 由于当前芯片主要是垂直型的和水平型的两种 垂直型产品以CREE芯片为代表特点主要是 光效高 最高可达161lm w 节能 电压低 蓝光在2 9 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 我公司全部采用垂直结构的芯片 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100lm w左右 电压高 蓝光在3 4 4V 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 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 垂直芯片的制成 垂直芯片剖析 垂直LED制造的方法 制造垂直结构LED芯片有两种基本方法 一 剥离生长衬底 二 不剥离生长衬底 其中生长在砷化镓生长衬底上的垂直结构GaP基LED芯片有两种结构 一 不剥离导电砷化镓生长衬底 在导电砷化镓生长衬底上层迭导电DBR反射层 生长GaP基LED外延层在导电DBR反射层上 二 剥离砷化镓生长衬底 层迭反射层在GaP基LED外延层上 键合导电支持衬底 剥离砷化镓衬底 导电支持衬底包括 砷化镓衬底 磷化镓衬底 硅衬底 金属及合金等 四元DBR材料 MQWLED器件结构示意图 左 p typelargebandgap材料右 n typelargebandgap材料 有源层 narrowbadgap材料 通常掺杂浓度很低 电子和空穴分别从左右两端进入有源层 其扩散长度会比有源层厚度 如0 2 2um 大很多 表示载流子会很均匀地分布在narrowbandgap材料中 由于电中性的要求 因此额外的电子和空穴数应该相等 n p 通常有源层掺杂浓度很低 相对而言 注入的载流子数目非常多 因此以上等式成立 量子阱 QW 是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的 具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱 多量子阱结构优势 1 在MQW结构中 电子和空穴的波函数重叠较多 因此其辐射复合的效率较高 2 在DH结构中 narrowbandgap材料形成的发光区不会长得太窄 否则会使发光区域变小 影响发光效率 也不能长得太宽 否则会超过载流子扩散长度 通常0 5 5um 如果中间的narrowbandgap材料和两边的largebandgap材料晶格不匹配 长晶后 材料会产生很多缺陷 使发光效率下降 用MQW结构 中间narrowbandgap层可以做的很薄 晶格不匹配的影响很小 不会产生缺陷 如InGaN刚好发出蓝 绿光 两边largebandgap材料用GaN 但它们之间的latticeconstant不匹配 可以使InGaN长得很薄 两边材料长得很厚 材料不会产生松弛 开裂 但发光强度不够 因此采用MQW结构 长很多层 材料间晶格不匹配时 要考虑用MQW结构 3 利用MQW结构 可以使发出光子的能量有效增加 当形成QW结构时 能量会被量子化 能够有效提高载流子结合放出的能量 特别地 需要调节bandgap时 经常使用Al 以实现所需色彩 但加Al后材料会趋近或变成间接带隙 发光性能下降 可以做成MQW结构 利用调变MQW的宽窄 可以调节禁带大小 4 MQW使有源层变薄 避免了内部的自我吸收 有源层产生的光子 在发出去之前 在有源层有可能被再吸收掉 发光区是narrowbandgap材料 而局域层是largebandgap 不会被吸上去 有源层变薄后 可以减少光的吸收 5 MQW发光