LED照明显示基础知识

LED照明 /顯示基礎知識 第一章 LED照明基礎知識 1、半導體照明的概念 2、 LED基本發光原理 3、 LED光源的特點 4、 LED的優點 5、 LED發展歷史 6、 LED顯示幕常用術語解釋 7、 LED極限參數的意義 8、 LED的分類 9、 LED的適用範圍和各類應用 10、 LED產業鏈分佈 11、 LED發展現狀 12、 LED發展趨勢 總結： LED照明設計 第二章 LED襯底材料的基本知識 1、 LED襯底的概念和作用 2、 LED襯底材料的種類 3、 LED襯底選擇的原則 4、 LED襯底的工藝流程 第三章 LED外延片基礎知識 1、 LED外延生長的概念和原理 2、 LED外延片襯底材料選擇特點 3、 LED外延片襯底材料種類 4、 LED外延片生長工藝 第四章 LED晶片基礎知識 1、 LED晶片的概念 2、 LED晶片的組成元素 3、 LED晶片的分類 4、 LED晶片特性表 5、 LED晶片的工藝流程 第五章 LED封裝基本知識 1、 LED封裝的概念 2、 LED封裝的分類 3、 LED封裝工藝流程 4、 LED封裝器件的性能 5、提高 LED發光效率的技術 第六章 白光 LED的基礎知識 1、白光 LED的概念 2、白光 LED發光原理 3、白光 LED技術指標 4、白光 LED技術難點 5、大功率白光 LED的封裝技術研究 第七章 LED應用的基礎知識 1、資訊顯示 2、交通信號燈 3、汽車用燈 4、 LED背光源 5、半導體照明 第一章 LED 照明基礎知識 1、半導體照明的概念 又名 LED照明。 LED（ Lighting Emitting Diode）即發光二極體，是一種半導體固體發光器件。它是利用固體半導體晶片作為發光材料，在半導體中通過載流子發生複合放出過剩的能量而引起光子發射，直接發出紅、黃、藍、綠、青、橙、紫、白色的光。 LED照明產品就是利用 LED作為光源製造出來的照明器具。 2、 LED 基本發光原理 LED是由 -族化合物，如 GaAs（砷化鎵）、 GaP（磷化鎵）、 GaAsP（磷砷化鎵）等半導體製成的，這些半導體材料會預先透過注入或攙雜等工藝以產生 P、 N架構。因此它具有一般 P-N結的 I-N特 性，即正嚮導通，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發光特性。兩種不同的載流子：空穴和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向 p、 n架構。當空穴和電子相遇而產生複合，電子會跌落到較低的能階，同時以 光子 的模式釋放出能量。 假設發光是在 P區中發生的，那麼注入的電子與價帶空穴直接複合而發光，或者先被發光中心捕獲後，再與空穴複合發光。除了這種發光複合外，還有些電子 被非發光中心（這個中心介於導帶、介帶中間附近）捕獲，而後再與空穴複合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發光的複合量相對於非發光複合量的比例越大，光量子效率越高。由於複合是在少子擴散區內發光的，所以光僅在靠近 PN結面數 m以內產生。 理論和實踐證明，光的峰值波長 與發光區域的半導體材料禁帶寬度 Eg有關，即 1240/Eg（ mm） 式中 Eg的單位為電子伏特（ eV）。若能產生可見光（波長在 380nm紫光 780nm紅光），半導體材料的 Eg應在 3.26 1.63eV之間。比紅光波長長的光為紅 外光。現在已有紅外、紅、黃、綠及藍光發光二極體，但其中藍光二極體成本、價格很高，使用不普遍。 它所發出的光的 波長 （決定顏色），是由組成 p、 n架構的半導體物料的禁帶能量決定。由於矽和鍺是間接帶隙材料，在這些材料在常溫下電子與空穴的複合是非輻射躍遷，此類躍遷沒有釋出光子，所以矽和鍺二極體不能發光。但在極低溫的特定溫度下則會發光，必須在特殊角度 下才可發現，而該發光的亮 度不明顯。發光二極體所用的 材料都是直接帶隙型的，這些禁帶能量對應著近紅外線、 可見光、或近紫外線波段的光能量。 發展初期，採用砷化鎵（ GaAs）的發光二極體只 能發出紅外線或紅光。隨著材料科學的進步，各種顏色的 發光二極體，現今皆可製造。電流從 LED 陽極流向陰極時 ，調節電1： LED發流，便可調節光的強度。 如右圖所示。 圖光原理圖 不同顏色的 LED,所使用的不同的元素圖 2： LED顏色和元素對應圖 3、 LED 光源的特點 1）電壓： led使用低壓電源，供電電壓在 6-24v之間，根據產品不同而異 ，所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用於公共場所。 2）效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少 80% 3）適用性：很小，每個單元 led小片是 3-5mm的正方形，所以可以製備成各種形狀的器件，並且適合於易變的環境 4）穩定性： 10萬小時，光衰為初始的 50% 5）回應時間：其白熾燈的回應時間為毫秒級， led燈的回應時間為納秒級 6）對環境污染：無有害金屬汞 7）顏色：改變電流可以變色，發光二極體方便地通過化學修飾方法，調整材料的能帶結構和帶隙，實現紅黃綠蘭橙多色發光。如小電流時為紅色的 led，隨著電流的增加，可以依次變為橙色，黃色，最後為綠色 8）價格： led的價格比較昂貴，較之於白熾燈，幾隻 led的價格就可以與一隻白熾燈的價格相當，而通常每組信號燈需由上 300 500只二極體構成 4、 LED 的優點 1）高節能 節能能源無污染即為環保。直流驅動，超低功耗（單管 0.03-0.06瓦）電 光功率 轉換接近 100%，相同照明效果比傳 統光源節能 80%以上。 2）壽命長 LED光源 有人稱它為長壽燈，意為永不熄滅的燈。固體冷光源，環氧樹脂封裝，燈體內也沒有鬆動的部分，不存在燈絲發光易燒、熱沉積、光衰等缺點，使用壽命可達 6萬到 10萬小時，比傳統光源壽命長 10倍以上。 3）多變幻 LED光源可利用紅、綠、籃三基色原理，在電腦技術控制下使三種顏色具有 256級灰度並任意混合 ，即可產生256256256 16777216種顏色，形成不同光色的組合變化多端，實現豐富多彩的動態變化效果及各種圖像。 4）利環保 環保效益更佳，光譜中沒有紫外線和紅外線，既沒有熱量，也沒有輻射，眩光小，而且廢棄物可回收，沒有污染不含汞元素，冷光源，可以安全觸摸，屬於典型的綠色照明光源。紅光 LED含有大量的 As（砷），劇毒。 5）高新尖 與傳統光源單調的發光效果相比， LED光源是低壓微電子產品，成功融合了電腦技術、網路通信技術、圖像處理技術、嵌入式控制技術等，所以亦是數位資訊化產品，是半導體光電器件 “ 高新尖 ” 技術，具有線上編程，無限升級，靈活多變的特點。 6）體積小 LED基本上是一塊很小的晶片被封裝在環氧樹脂裏面，所以它非常的小，非常的輕。 7）高亮度、低熱量 比 HID或白熾燈更少的熱輻射。 5、 LED 發展歷史 1） 1965年，全球第一款商用化發光二極體誕生 ，效率 0.1lm/W,比白熾燈低 100倍，售價 45$/只。 2） 1968年， LED的研發取得了突破性進展，利用氮摻雜工藝使 GaAsP器件的效率達到了 1流明 /瓦，並且能夠發出紅光、橙光和黃色光。 3） 1971年， GaP綠色晶片 LED。 用途：指示用 ，長壽命 10萬小時，可靠 4） 80年代 AlGaAs技術使得 LED效率達到 10流明 /瓦， 90年代的 AlGaInP技術使得 LED效率達到 100流明 /瓦。 用途：顯示，信號用。 用於室外的運動資訊發佈以及汽車的高位刹車燈。 5） 1994年，中村修二研製出了第一隻 GaN基高亮度藍色發光二極體。 用途：由於藍光 LED的出現，人們首次實現紅黃藍 LED的全色顯示，從 90年代中期開始，許多廣告、體育和娛樂場所開始應用 LED大螢幕顯示。 6.1997年，中村修二和美國人修博特先後研製出了 GaN藍色發光二極體激發黃光螢光粉得到白光 LED，效率不足 10 lm/W。 6） 2000年，日亞報導了 15 lm/W白光 LED。 7） 2003年，日亞報導的光效達到 60 lm/W， 2006年 3月，其光效達到 100 lm/W。 8） 2006年 7月， Cree公司報導了 130 lm/W白光 LED。 9） 2006年 11月，日亞報導的光效達到 150 lm/W，其效率已經超過節能燈，實現了真正意義上的照明。 10） 2007年 3月，美國 CREE公司光效達到 157 lm/W，目前 LED的效率向 200 Lm/W前進。 6、 LED 顯示幕常用術語解釋 1） LED的顏色 LED的顏色是一個很重要的一項指標 ,是每一個 LED相關燈具產品必須標明 ,目前 LED的顏色主要有紅色 ,綠色 ,藍色,青色 ,黃色 ,白色 ,暖白 ,琥珀色等其他的顏色。 全球第一顆 LED採用的材料是砷 (As) 化鎵 (Ga)，工作電壓為 1.424V，其發出的光線為紅外光譜。之後，業界發展出以磷 (P)化鎵 (Ga)作為 LED的材料，工作電壓為 2.261V，發出的光為綠光。業界早期就透過這 2種型態 LED所需的材料，調配出從紅外線到綠色光範圍內所有波長的 LED產品，發展出常見的紅光 LED、黃光 LED、橙光 LED等等，這 3大類 LED因為使用了鎵、砷、磷 3種元素，故被稱為 3元素 LED，而藍光 LED、綠光 LED與紅外光 LED則被稱為 2元素 LED。業界後來發展出採用混合鋁 (Al)、鈣 (Ca) 、銦 (In)和氮 (N)共 4種元素的 4元素 LED，就能夠發出所有可見光範圍與部份紫外線光譜的光線。 2） LED的電流 LED的正向極限 (IF) 電流多在 20mA,而且 LED的光衰電流不能大於 IF/3,大約 15mA和 18mA.LED的發光強度僅在一定範圍內與 IF成正比 ,當 IF20mA時 ,亮度的增強已經無法用內眼分出來 .因此 LED的工作電流一般選在 17-19MA左右比較合理 .前面所針對是普通小功率 LED(0.04-0.08W)之間的 LED而言 ,但大功率的 LED就必須查其規格。 3） LED的電壓 我們通常所說的是 LED的正向電壓 ,就是說 LED的正極接電源正極 ,負極接電源負極 . 電壓與顏色有關係，紅、黃、黃綠的電壓是 1.8-2.4v之間。白、藍、翠綠的電壓是 3.0-3.6v之間 ,可能同樣一批 LED的電壓會有一些差異 ,要根據廠家提供的為准 . 在外界溫度升高時， VF將下降。 LED的反向電壓 VR:所允許加的最大反向電壓。超過此值，發光二極體可能被擊穿損壞。 4） LE發光強度（ I、 Intensity） 簡稱光度，指光源的明亮程度。是說從光源一個立體角（單位為 Sr）所放射出來的光通量，也就是光源或照明燈具所發出的光通量在空間選定方向上分佈密度，也即表示光源在一定方向和範圍內發出的可見光輻射強弱的物理量。單位是坎德拉 cd； 1000ucd（微坎德拉） =1 mcd（毫坎德拉） , 1000mcd=1 cd（也稱燭光） . 發光強度是針對點光源而言的，或者發光體的大小與照射距離相比比較小的場合。這個量是表明發光體在空間發射的會聚能力的。可以說，發光強度就是描述了光源到底有多 “ 亮 ” ，因為它是光功率與會聚能力的一個共同的描述。發光強度越大，光源看起來就越亮，同時在相同條件下被該光源照射後的物體也就越亮，因此，早些時候描述手電筒都用這個參數。現在 LED也用這個單位來描述，比如某 LED是 15000 的，單位是 mcd， 1000mcd=1cd，因此 15000mcd就是 15cd。之所以 LED用毫 cd（ mcd）而不直接用 cd來表示，是因為以前最早 LED比較暗，比如 1984 年標準 5mm的 LED其發光強度才 0.005cd，因此才用 mcd表示，用發光強度來表示 “ 亮度 ” 的缺點是如果管芯完全一樣的兩個 LED，會聚程度好的發光強度就高。因此，還要看照射角度。很多高 I值的 LED並非提高自身的發射效率來達到，而是把鏡頭加長照射角度變窄來實現。 室內用單只 LED的光強一般為 500ucd-50 mcd，而戶外用單只 LED的光強一般應為 100 mcd-1000 mcd，甚至 1000 mcd以上。 發光強度為 1cd的光源可放射出 l2.57lm光通量。 5）光通量（ F， Flux） 為一光源所放射出光能量的速率或光的流動速率，為說明光源發光的能力的基本量，即光源每秒鐘所發出的可見光量之總和。單位：流明（ Lm： Lumen） 。 這個量是對光源而言，是描述光源發光總量的大小的，與光功率等價。光源的光通量越大，則發出的光線越多對於各向同性的光（即光源的光線向四面八方以相同的密度發射），則 F = 4I( 為發光角度 )。也就是說，若光源的 I為 1cd，則總光通量為 4 =12.56 lm 。 人眼對不同顏色的光的感覺是不同的，此感覺決定了光通量與光功率的換算關係。對於人眼最敏感的 555nm的黃綠光， 1W = 683 lm，也就是說， 1W的功率全部轉換成波長為 555nm的光，為 683 流明。這個是最大的光轉換效率，也是定標值，因為人眼對 555nm的光最敏感。對於其他顏色的光，比如 650nm的紅色， 1W的光僅相當於 73 流明，這是因為人眼對紅光不敏感的原因。對於白色光，要看情況了，因為很多不同的光譜結構的光都是白色的。例如 LED的白光、電視上的白光以及日光就差別很大，光譜不同。常用白光 LED 流明舉例： 0.06W 3-5LM, 0.2W 13-15LM,1W 60-80LM。 一個 l00瓦 （ w）的燈泡可產生 l750lm，而一支 40w冷白日光燈管則可產生 3l50lm的光通量。 6）照度（ E， I luminance）單位勒克斯即 lx（以前叫 lux） 即受照平面上接受光通量的密度，可用每一單位面積的光通量來測量。 1lm的光通量均勻分佈在 l平方公尺（ m2）的表面，即產生 1勒克新（ LUX， lX）的照度 1lm的光通量落在 l平方英尺（ ft2）的表面，其照度值為 l尺燭光（ Foot candle， fC）。桌面、工作面的照度不應少於 150lX。起居室的照明採用光線柔合的半直接型照明燈具較理想，其平均照度應達到 l00lX左右。閱讀和書寫用的燈具功率可大些，照度應達到 200lX。 7）亮度 亮度是指物體明暗的程度，定義是單位面積的發光強度。單位：尼特（ nit） 8）光效 光源發出的光通量除以光源的功率。它是衡量光源節能的重要指標，是以其所發出光的流明除以其耗電量所得之值。單位：每瓦流明（ Lm/w）。 光源效率（ Lm/w） =流明（ Lm） /耗電量（ W）也就是每一瓦電力所發出光的量，其數值越高表示光源的效率越高，也越為節能。所以效率通常是我們經常要考慮的一個重要的因素。 9）波長 光的色彩強弱變化，是可以通過資料來描述，這種資料叫波長。我們能見到的光的波長，範圍在 380至 780nm之間。單位：納米（ nm） 波長分類： 圖 3：波長分類圖 Wavelength(nm) RELATIVE INTENSITY Vs WAVELENGTH ( ) 1 430nm/Blue, 470nm/Blue 2 568nm/Yellow Green 3 585nm/Yellow 4 610nm/Amper 5 635nm/Orange 6 655nm/Red 7 660nm/super Red 8 700nm/Bright Red 9 GaAlAs 880nm 10 GaAs/GaAs & GaAlAs/GaAs 940nm 10）顯色性 光源對物體本身顏色呈現的程度稱為顯色性，也就是顏色逼真的程度；通常叫做 顯色指數 ，單位： Ra。光源的顯色性是由顯色指數來表明，它表示物體在光下顏色比基準光（太陽光）照明時顏色的偏離，能較全面反映光源的顏色特性。顯色性高的光源對顏色表現較好，我們所見到的顏色也就接近自然色，顯色性低的光源對顏色表現較差，我們所見到的顏色偏差也較大。 國際照明委員會 CIE 把太陽的顯色指數定為 100 ，各類光源的顯色指數各不相同，如：高壓鈉燈顯色指數 Ra=23 ，螢光燈管顯色指數 Ra=6090 。 顯色分兩種：忠實顯色：能正確表現物質本來的顏色需使用顯色指數 (Ra) 高的光源，其數值接近 100 ，顯色性最好。 色座標（ CIE）： 圖 4：色座標圖 11）色溫 光源發射光的顏色與黑體在某一溫度下 輻射光色相同時，黑體的溫度稱為該光源的色溫。 單位：開爾文（ k）。 色溫究競是指什麼 ? 我們知道，通常人眼所見到的光線，是由光的三原色（紅綠藍）組成的 7種色光的光譜所組成。色溫就是專門用來量度光線的顏色成分的。 用以計算光線顏色成分的方法，是 19世紀末由英國物理學家洛德 凱爾文所創立的，他制定出了一整套色溫計演算法，而其具體界定的標準是基於以一黑體輻射器所發出來的波長。 凱爾文認為，假定某一純黑物體，能夠將落在其上的所有熱量吸收，而沒有損失，同時又能夠將熱量生成的能量全部以 “ 光 ” 的形式釋放出來的話，它便會因 受到熱力的高低而變成不同的顏色。例如，當黑體受到的熱力相當於 500 550時，就會變成暗紅色，達到 1050一 1150時，就變成黃色 因而，光源的顏色成分是與該黑體所受的熱力溫度相對應的。只不過色溫是用凱爾文 (K 、也就是絕對溫度 )的色溫單位來表示，而不是用攝氏溫度（）單位表示的。在加熱鐵塊的過程中，黑色的鐵在爐溫中逐漸變成紅色，這便是黑體理論的最好例子。當黑體受到的熱力使它能夠放出光譜中的全部可見光波時，它就由紅轉變橙黃色、黃色最後變成白色，通常我們所用燈泡內的鎢絲就相當於這個黑體。色溫計演算法就是 根據以上原理，用 K 來表示受熱鎢絲所放射出光線的色溫。根據這一原理，任何光線的色溫是相當於上述黑體散發出同樣顏色時所受到的 “ 溫度 ” 。 顏色實際上是一種心理物理上的作用。所有顏色印象的產生，是由於時斷時續的光譜在眼睛上的反應，所以色溫只是用來表示顏色的視覺印象。攝影人都知道：有光才有色，沒有光就沒有色。 彩色膠片的設計，一般是根據能夠真實地記錄出某一特定色溫的光源照明來進行的，分為 5500 K 日光型、 3200 K 燈光型等多種。因而，攝影家必須懂得採用與光源色溫相同的彩色膠捲，才會得到準確的色彩再現。如果光 源的色溫與膠捲的色溫互相不平衡，就不會對色彩進行準確的還原。這時，我們就要靠濾光鏡來提升或降低光源的色溫，使曝光條件與膠捲擬定的色溫相匹配，才會有準確的色彩再現。而數碼照相機、攝像機等要求進行白平衡調整，實際上也就是對數碼機器進行拍攝環境的基礎色溫定位。目的是同樣的：為了色彩的準確再現。 如何準確地進行色溫定位？這就需要使用到 “ 色溫計 ” 啦。一般情況下，正午 10點至下午 2點，晴朗無雲的天空，在沒有太陽直射光的情況下，標準日光大約在 52005500K 。新聞攝影燈的色溫在 3200K ；一般鎢絲燈、照相館拍攝黑 白照片使用的鎢絲燈以及一般的普通燈泡光的色溫大約在 2800K ；由於色溫偏低，所以在這種情況下拍攝的照片擴印出來以後會感到色彩偏黃色。而一般日光燈的色溫在 72008500K 左右，所以在日光燈下拍攝的相片會偏青色。這都是因為拍攝環境的色溫與拍攝機器設定的色溫不對造成的。一般在擴印機上可以進行調整。但如果拍攝現場有日光燈也有鎢絲燈的情況，我們成為混合光源，這種片子很難進行調整。 不同光源環境的相關色溫度。 光源 色溫 北方晴空 8000-8500k 陰天 6500-7500k 夏日正午陽光 5500k 金屬鹵化物燈 4000-4600k 下午日光 4000k 冷色瑩光燈 4000-5000k 高壓汞燈 3450-3750k 暖色營光燈 2500-3000k 鹵素燈 3000k 鎢絲燈 2700k 高壓鈉燈 1950-2250k 蠟燭光 2000k 光源色溫不同，光色也不同，色溫在 3000k 以下有溫暖的感覺，達到穩重的氣氛；色溫在 3000k-5000k 為中間色溫，有爽快的感覺；色溫在 5000k 以上有冷的感覺。 12）眩光 視野內有亮度極高的物體或強烈的亮度對比，所 造成的視覺不舒適稱為眩光，眩光是影響照明品質的重要因素。 13）發光角度 二極體發光角度也就是其光線散射角度，主要靠二極體生產時加散射劑來控制，有三大類： A指向性。一般為尖頭環氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。發光角度 520 或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯用以組成自動檢測系統。 B准型。通常作指示燈用，其發光角度為 2045 。 C散射型。這是視角較大的指示燈，發光角度為 4590 或更大，散射劑的量較大。 LED 的發光角度是 LED 應用產品的重要參數。 14、同步性 兩個或兩個以上 LED燈在不規定時間內能正常按程式設定的方式運行，一般指內控方式的 LED燈，同步性是 LED燈實現協調變化的基本要求。 15）防護等級 IP防護等級是將燈具依其防塵、防濕氣之特性加以分級，由兩個數字所組成，第一個數字代表燈具防塵、防止外物侵人的等級（分 0-6級），第二個數字代表燈具防濕氣、防水侵人的密封程度（分 0-8級），數字越大表示其防護等級越高。 16）光譜 光譜是複色光經過色散系統（如棱鏡、光柵）分光後，被色散開的單色光按波長（或頻率）大小而依次排列的圖案。 光波是由原子內部 運動的電子產生的各種物質的原子內部電子的運動情況不同，所以它們發射的光波也不同研究不同物質的發光和吸收光的情況，有重要的理論和實際意義，已成為一門專門的學科 光譜學 吸收光譜高溫物體發出的白光（其中包含連續分佈的一切波長的光）通過物質時，某些波長的光被物質吸收後產生的光譜，叫做吸收光譜。例如，讓弧光燈發出的白光通過溫度較低的鈉氣（在酒精燈的燈心上放一些食鹽，食鹽受熱分解就會產生鈉氣），然後用分光鏡來觀察，就會看到在連續光譜的背景中有兩條挨得很近的暗線。這就是鈉原子的吸收光譜值得注意的是，各種原子的 吸收光譜中的每一條暗線都跟該種原子的發射光譜中的一條明線相對應這表明，低溫氣體原子吸收的光，恰好就是這種原子在高溫時發出的光因此，吸收光譜中的譜線（暗線），也是原子的特徵譜線，只是通常在吸收光譜中看到的特徵譜線比明線光譜中的少 在我們眼裏大部分光源所發出的光皆通稱為白光，實際上肉眼看上去的不同光源所發出的白光會因色溫的高低而呈現不同的顏色。光色愈偏藍，色溫愈高 偏紅則色溫愈低。人的眼睛有時會被自己的感覺所愚弄，感到差異不大，但在我們拍攝照片上，可以看到最直接的效果，比如在睛空下拍攝的照片，可能會發藍發 冷，而在燈光下拍攝的照片（不打開閃光燈），會呈現明顯暖調的橙紅色。 17）色表 是指人眼直接觀察光源時所看到的顏色。街道高壓鈉燈發出的光既亮且白，但當看到被照射的人的面孔時顯表灰色，這說明高壓鈉燈的色表並不差，但顯色性不好。 18）平均壽命 指一批燈至 50%的數量損壞時的小時數。單位：小時（ h）。 19）經濟壽命 在同時考慮燈泡的損壞以及光束輸出衰減的狀況下，其綜合光束輸出減至特定的小時數。室外的光源為 70%，室內的光源為 80%。 20） LED象素模組 LED排列成矩陣或筆段，預製成標準大小的模組。室內顯示 幕常用的有 8*8象素模組、 8字 7段數碼模組。戶外顯示幕象素模組有 4*4、 8*8、 8*16象素等規格。戶外顯示幕用的象素模組因為其每一象素由兩隻以上 LED管束組成，固又稱其為集管束模組。 21）象素 (Pixel)與象素直徑 LED顯示幕中每一個可被單獨控制的 LED發光單元 (點 )稱為象素 (或象元 )。象素直徑是指每一象素的直徑，單位是毫米。 對於室內顯示幕，一般一個為單個 LED，外形為圓形。室內顯示幕象素直徑校常見的有 3.0、 3.75、 5.0、 8.0等，其中以 3.75和 5.0最多。 在戶外環境，為提 高亮度，增加視距，一個象素含有兩隻以上集束 LED；由於兩隻以上集束 LED一般不為圓形，固戶外顯示幕象素直徑一般用兩兩象素平均間距表示： 10、 11.5、 16、 22、 25。 22）點間距、象素密度與資訊容量 LED 顯示幕的兩兩象素的中心距或點間距 (Dot Pitch)；單位面積內象素的數量稱為象素密度；單位面積內所含顯示內容的數量稱為資訊容量。這三者本質是描述同一概念：點間距是從兩兩象素間的距離來反映象素密度，點間距和象素密度是顯示幕的物理屬性；資訊容量則是象素密度的資訊承載能力的數量單位。 點間距 越小，象素密度越高，資訊容量越多，適合觀看的距離越近。 點間距越大，象素密度越低，資訊容量越少，適合觀看的距離越遠。 23）解析度 LED顯示幕象素的行列數稱為 LED顯示幕的解析度。解析度是顯示幕的象素總量，它決定了一台顯示幕的資訊容量。 24）灰度 灰度是指象素發光明暗變化的程度，一種基色的灰度一般有 8級至 1024級。例如，若每種基色的灰度為 256級，對於雙基色彩色屏，其顯示顏色為 256256=64K 色，亦稱該屏為 256色顯示幕。 25）雙基色 現今大多數彩色 LED顯示幕是雙基色彩色屏，即每一個象素有兩 個 LED管芯：一為紅光管芯，一為綠光管芯。紅光管芯亮時該象素為紅色，綠光管芯亮時該象素為綠色，紅綠兩管芯同時亮時則該象素為黃色。其中紅，綠稱為基色。 26）全彩色 紅綠雙基色再加上藍基色，三種基色就構成全彩色。由於構成全彩色的藍色管和純綠色管芯較貴，故目前全彩色屏相對較少。 下面為主要的 LED照明需要的性能指標： 名稱 符 號 單 位 說 明 光通量 流明 Lm 發光體每秒種所發出的光量之總和，即光通量 光強 I 坎德拉 cd 發光體在特定方向單位立體角內所發射的光通量 照度 E 勒克斯 Lm/m2 發光體照射在被照物體單位面積上的光通量 亮度 L 尼脫 cd/m2 發光體在特定方向單位立體角單位面積內的光通量 光效 每瓦流明 Lm/w 電光源將電能轉化為光的能力，以發出的光通量除以耗電量來表示 平均壽命 小時 指一批燈至百分之五十的數量損壞時的小時數 經濟壽命 小時 在同時考慮燈的損壞以及光束輸出衰減的狀況下，其綜合光束輸出減至一特定的小時數。 此比例用於室外的光源為百分之七十，用於室內的光源如日光燈則為百分之八十。 7、 LED 極限參數的意義 1）允許功耗 Pm:允許加于 LED兩 端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值， LED發熱、損壞。 2）最大正向直流電流 IFm：允許加的最大的正向直流電流。超過此值可損壞二極體。 3）最大反向電壓 VRm：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發光二極體可能被擊穿損壞。 4）工作環境 topm:發光二極體可正常工作的環境溫度範圍。低於或高於此溫度範圍，發光二極體將不能正常工作，效率大大降低。 8、 LED 的分類 1）按發光管發光顏色分 按發光管發光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色（又細分黃綠、標準綠和純綠）、藍光等。另外，有的發光二極體中包含二種 或三種顏色的晶片。 根據發光二極體出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發光二極體還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。散射型發光二極體和達於做指示燈用。 2）按發光管出光面特徵分 按發光管出光面特徵分圓燈、方燈、矩形、面發光管、側向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為 2mm、 4.4mm、 5mm、 8mm、 10mm及 20mm等。 國外通常用 “T” ，代表 “Tube” ，表示管狀的燈管直徑， T後面的數字表示燈管直徑； T8就是有 8個 “T” ，一個“T” 就是 1/8英寸。 1英 寸 =25.4mm。那麼每一個 “T” 就是 25.48 3.175mm 如： T8燈管： T8燈管的直徑就是 (8/8)25.4 25.4mm T8的剛好是直徑一英寸的燈管 3）從發光強度角分佈圖來分有三類： （ 1）高指向性。一般為尖頭環氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為 5 20或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯用以組成自動檢測系統。 （ 2）標準型。通常作指示燈用，其半值角為 20 45。 （ 3）散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為 45 90或更大，散射劑 的量較大。 4）按發光二極體的結構分 按發光二極體的結構分有全環氧包封、金屬底座環氧封裝、陶瓷底座環氧封裝及玻璃封裝等結構。 5）按發光強度和工作電流分 按發光強度和工作電流分有普通亮度的 LED（發光強度 10mcd）；把發光強度在 10 100mcd間的叫高亮度發光二極體。達到或超過 100mcd 的稱超高亮度。 一般 LED的工作電流在十幾 mA至幾十 mA，而低電流 LED的工作電流在 2mA以下（亮度與普通發光管相同）。 6）按照封裝式樣和用途分 SMD型 LED SMD是目前 LED最新的發展，目前主要被應用於 3C科技商品上，如手機螢幕背光源 .音響背光源 .手機按鍵光源 .汽車面板背光源 .電器按鍵訊號燈等應用上，照射角度大所以光束能夠均勻擴散，但是製作成本極高 ! 表面貼裝二極體或表面貼裝元器件都是他的叫法，這個裏面也有多中類別： 按形狀大小分： 0603、 0805、 1210、 5060、 1010等等，一般 SMD都是菱形的，所以其叫法都是根據長 *寬的尺寸來叫，行業善用的都是英寸，不是毫米，也有用毫米叫的，不如 1608（ 1.6*0.8mm)等。 發光顏色和膠體的種類和 LAMP LED產品一樣，只是產品的形狀發生了很大的變化。 LAMP型 LED LAMP的體積大且照射角度較小因而光束為聚光型，主要應用在戶外看板 .指示燈 .電器訊號燈 .交通號誌燈。 有叫它 P2產品的、也有叫它插件 LED的，不管怎麼樣只要是直插式的都歸與一種。而 LED種類裏面還有很多種類： 按膠體形狀分： 3mm、 4mm、 5mm、 8mm、 10mm、 12mm、方形、橢圓形、墓碑形、還有一些特殊形狀等等； 按膠體顏色分：無色透明、有色透明、有色散射、無色散射等； 按顏色分：紅色（ red）、橙色（ orange）、黃色（ yellow）、黃綠色（ green yellow）、綠色 （ green）、藍綠色（ blue green）、藍色（ blue)、紫色（ pink）、紫外線（ uv）、白色（ white）、紅外線等等； 食人魚型 LED 食人魚則是兼具了 SMD及 LAMP的優點，且照射角度也比 LAMP大，加上防水技術成熟，且擁有高亮度、省電力、長壽命的特性，可對應汽車室內燈較大之車種，超優質量超低價格已成為目前巿場上最物美價廉的最佳車內照明選擇，而因技術已成熟所以製作成本較 SMD便宜，目前均被廣泛的應用在汽車照明系統，物超所值所以深受開車族的喜愛。 這個是因 LED的發光效率不能滿足汽車使用其要求 ，所以就開發了這個產品，是小功率產品，其驅動電流一般在50MA、一般 LED用的 20MA，最高電流可以達到 70mA，就是因為其散熱比較好，一般用在汽車後尾燈。 大功率（ power led） 現有照明的 LED產品 ,它有以下分類： 按功率分： 1w、 3w、 5w、等等 按頂部發光透鏡分 :平頭、聚光、酒杯形狀等 按工藝還有鋁基板的和防 luminous的。 數碼管（ Display） 最早用在來做顯示幕和數碼顯示用的： 按外形分： 1位、 2位、 3位、 4位等等 表面顏色：灰面黑膠的、也有黑面白膠的，等等 極性：共陰、共陽 顏色也和 LAMP LED一樣可以做很多種類。 點陣（ LED Dot Matrix） 這個產品和數碼管差不多，都是應用在資訊顯示的。其間距和孔的直徑有改變都是不同的產品，現在一般分 5*7和 8*8的，其顏色有單色、雙色、三基色的 等等。 按顏色分：單紅，單綠，雙基色，三基色等； 按孔的直徑分： 2.0 ， 3.0 ， 3.75 ， 5.0 等； 按點數分： 5*7， 8*8， 16*16等 還有一些其他的產品：如圖元管（ cluster）、測光源（ LED Side Light Source）、紅外線接收和發射產品（ Infrared & Photodiode）等等。 紅外線 (IR LED)三元晶片 (GaAlAs/GaAs)，波長 940nm，工作電壓 /電流 1.3V/50mA，遙控器用的比較多。 紅外線 (IR LED)三元晶片 (GaAlAs)，波長 850nm，工作電壓 /電流 1.5V/50mA，紅外線監視器輔助照明。 正紅光 LED三元晶片 (GaAlAs)，波長 660nm，工作電壓 /電流 1.72.0V/20mA，亮度較低，衰減快，用途少。 紅光 LED 四元晶片 (AlGaInP)，波長 630nm，工作電壓 /電流 1.82.2V/20mA，亮度高，壽命長，一般用來取代正紅光，用途有紅綠燈的紅燈、汽機車尾燈煞車燈、全彩 LED看板的紅光 .等。 橘光 LED 四元晶片 (AlGaInP)，波長 610nm，工作電壓 /電流 1.82.2V/20mA，亮度高但用途少。 黃光 LED 四元晶片 (AlGaInP)，波長 592nm，工作電壓 /電流 1.82.2V/20mA，亮度高，壽命長，用途有紅綠燈的黃燈、汽機車方向燈 .等。 黃綠光 LED 四元晶片 (AlGaInP)，波長 570nm，工作電壓 /電流 1.82.2V/20mA，亮度較低但用途不少，電腦機殼電源燈、紅綠雙色字幕機 .等。 草綠光 LED GAN晶片 ( InGaN/SiC)，波長 525nm，工作電壓 /電流 3.03.6V/20mA，亮度高，用途大部分是全彩LED看板的綠光。 綠光 LED GAN晶片 ( InGaN/SiC)，波長 515nm，工作電壓 /電流 3.03.6V/20mA，亮度高，一般用途。 青綠光 LED GAN晶片 ( InGaN/SiC)，波長 525nm，工作電壓 /電流 3.03.6V/20mA，亮度高，大部分用在紅綠燈的綠 燈。 藍光 LED GAN晶片 ( InGaN/SiC)，波長 470nm，工作電壓 /電流 3.03.6V/20mA，亮度高，用途很廣，包括全彩LED看板的藍光。 白光 LED GAN晶片 ( InGaN/SiC)，工作電壓 /電流 3.03.6V/20mA，亮度高壽命長，光色穩定不閃爍，現在已經可以做小區域照明之用，明年開始將會全面取代中小型 LCD面板的冷陰極管當背光源。 9、 LED 的適用範圍和各類應用 LED照明燈具裏，底燈，吊燈，投射燈等裝飾用，反射用途的 LED照明燈具可以完全勝任於任何場合，包括美術 館，博物館等對顏色度要求較高的場所。但是對於商場，寫字樓等大規模設施來說，作為大範圍照明的 LED燈具雖然已經誕生，但是其指向性 (LED晶片發出的光是直線，發散性不好 )太高，造成大面積內設計平均的照度很困難。燈管型LED照明燈具排列過密，設計成本過高，失去節能效果。因此，現階段裝飾用途場合， LED照明燈具完全可用，大面積室內照明還不成熟。 分類 材料 應用領域 可見光 LED (450780nm) 傳統亮度 GaP、 GaAsP、 AlGaAs 家電、資訊產品、通訊產品、消費性電子產品 高亮度 AlGaInP (紅、橙、黃光 ) 大型看板、交通號志、背光源、汽車第三煞車燈 GaInN (藍、綠光 ) GaInN+螢光粉 (白光 ) 照明用 LED的應用主要可分為三大類： LCD屏背光、 LED照明、 LED顯示。 1）小尺寸 1.5寸到 3.5寸 LCD屏的背光： 例如手機、 PDA、 MP3/4等便攜設備的 LCD屏都需要 LED來背光。 2） 7寸 LCD屏的背光（如數碼相框）： 3）大尺寸 LCD屏的背光（如 LCD TV/Monitor、筆記本電腦）： 目前大部分 LCD TV/Monitor、筆記本電腦的 LCD屏是採用的 CCFL螢光燈管做背光，因 CCFL壽命、環保等不利原因目前正朝向採用 LED背光發展。按 LCD屏的尺寸大小一般需要數十個到上百個白光 LED做背光，而其 LED驅動 IC市場潛力將會很大。 4） LED手電筒： 小功率 LED手電筒、強光 LED手電筒、 LED礦燈。 5） LED草地燈： 6） LED照明： 照明經過白熾燈、日光燈，到現在比較普遍的節能燈，再下個階段應該就是 LED照明燈的普及了，這裏需要超高亮度的 LED，超長壽命、極低功耗將是 LED燈很大的優勢，同時成本考慮也是一個關鍵。 7） LED顯示： 我們在公 車、地鐵裏都能看到各樣的 LED字幕顯示幕，並且在戶外也有不少大螢幕 LED點陣顯示幕幕，從遠處看就是一個比較清晰的超大螢幕電視機。這裏需要用到專用的 LED顯示控制晶片。 10、 LED 產業鏈分佈 11、 LED 發展現狀 當前全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，節約能源是我們未來面臨的重要的問題，在照明領域， LED發光產品的應用正吸引著世人的目光， LED作為一種新型的綠色光源產品，必然是未來發展的趨勢，二十一世紀將進入以 LED為代表的新型照明光源時代。 中國 LED產業起步於 20世紀 70年代。經過 30多年的發展， 中國 LED產業已初步形成了包括 LED外延片 的生產、 LED晶片 的製備、 LED晶片的封裝以及 LED產品應用在內的較為完整的產業鏈。在 “ 國家 半導體照明 工程 ” 的推動下，形成了上海、大連、南昌、廈門、深圳、揚州和石家莊七個國家半導體照明工程產業化基地。長三角、珠三角、閩三角以及北方地區則成為中國 LED產業發展的聚集地。 目前，中國半導體照明產業發展向好，外延晶片企業的發展尤其迅速、封裝企業規模繼續保持較快增長、照明應用取得較大進展。 2007年中國 LED應用產品產值已超過 300億元，已成為 LED全彩顯示幕、太陽能 LED、景觀照明等應用產品世界最大的生產和出口國，新興的半導體照明產業正在形成。國內在照明領域已經形 成一定特色，其中戶外照明發展最快，已有上百家 LED路燈 企業並建設了幾十條示範道路，但在室內通用照明市場方面仍顯落後。 2008年北京奧運會對 LED照明 的集中展示讓人們對 LED有了全新的認識，有力推動了中國半導體照明產業的發展。當前中國半導 體產業產業大而不強，核心競爭力仍有待於進一步提升。對國內企業而言，壯大規模、提高產品品質與技術水準是首要任務，提高未來取得大廠專利授權時的要價能力，或逐步通過研發突破核心專利。 12、 LED 發展趨勢 LED被稱為第四代照明光源或綠色光源，具有節能、環保、壽命長、體積小等特點，可以廣泛應用於各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明和城市夜景等領域。近年來，世界上一些經濟發達國家圍繞 LED的研製展開了激烈的技術競賽。美國從 2000年起投資 5億美元實施 “ 國家半導體照明計畫 ” ，歐盟也在 2000年 7月宣佈啟動類似的 “ 彩 虹計畫 ” 。我國科技部在 “863” 計畫的支持下， 2003年 6月份首次提出發展半導體照明計畫。 多年來， LED照明以其節能、環保的優勢，已受到國家和各級政府的重視，各地紛紛出臺相關政策和舉措加快 LED燈具 的發展；大眾消費者也對這種環保新型的照明產品渴求已久。但是，由於投入在技術和推廣上的成本居高不下，使得令萬千消費者翹首以待的 LED照明產品一直可望而不可及，遲遲未能揭開 其神秘的貴族面紗！ 隨著國內部分廠家技術和生產成本的降低， LED照明叫好而不叫座的局面行將改變。價廉物美的 LED照明產品，將給中國照明行業帶來革命性的衝擊，為廣大消費者帶來光明的福音！ 總結： LED 照明設計 LED照明燈具備受期待的原因就是節能、使用壽命長。確實，與白熾燈相比，目前的球泡型 LED燈效率更高。但是螢光燈與 LED照明燈具相比，還是螢光燈較高。這是因為，雖然單獨的 LED晶片比螢光燈效率高，但是由於發熱降低了發光效率，交流電轉換成直流電時，電源效率變低以及由於配光分佈變換和使用擴散板導致光效降低，進 而造成整個LED照明燈具的效率下降。 因此，為了實現 LED的節能，長壽命，必須對熱、電、光進行各種設計。單純依靠 LED封裝並不能發揮 LED的優勢。 第二章 LED 襯底材料的基本知識 1、 LED 襯底的概念和作用 襯底又稱基板，也有稱之為支撐襯底。襯底只要是外延層生長的基板，在生產和製作過程中，起到支撐和固定的作用。它與外延層的特性配合要求比較嚴格，否則會影響到外延層的生長或是晶片的品質。 2、 LED 襯底材料的種類 對於製作 LED晶片來說，襯底材料的選用是首要考慮的問題。應該採用哪種合 適的襯底，需要根據設備和 LED器件的要求進行選擇。目前市面上 GaN基系列一般有三種材料可作為襯底： 藍寶石（ Al2O3）；矽 (Si)；碳化矽（ SiC）。 除了以上三種常用的襯底材料之外，還有 GaAS、 AlN、 ZnO等材料也可作為襯底，通常根據設計的需要選擇使用。 1）藍寶石襯底 通常， GaN基材料和器件的外延 層主要生長在藍寶石襯底上。藍寶石襯底 有許多的優點：首先， 藍寶石襯底的生產 技術成熟、器件品質較好；其次，藍寶石 的穩定性很好，能夠運用在高溫生長過程 中；最後，藍寶石的機械強度高，易於處 理和清洗。因此， 大多 數工藝一般都以藍 寶石作為襯底。圖 5示例了使用藍寶石襯底 做成的LED晶片。 使用藍寶石作為襯底也存在 一些問題，例如晶格失配和熱應力失配， 這會在外延層中產生大量缺陷，同時給後 續的器件加工工藝造成困難。藍寶石是一 種絕緣體，常溫下的電阻率大於 1011 cm ，在這種情況下無法製作垂直結構的器 件；通常只在外延層 上表面製作 n型 和 p 型電極（如圖 1所示）。在上表面製作 兩個電圖 5 藍極 ， 造 成 了 有 效 寶石作為襯底的 LED晶片 發光面積減少，同時增加了器件製造中的光刻和刻蝕工藝過程，結果使材料利用率 降低、成本增加。由於 P型 GaN摻雜困難，當前普遍採用在 p型 GaN上製備金屬透明電極的方法，使電流擴散，以達到均勻發光的目的。但是金屬透明電極一般 要吸收約 30%40%的光，同時 GaN基材料的化學性能穩定、機械強度較高，不容易對其進行刻蝕，因此在刻蝕過程中需要較好的設備，這將會增加生產成本。 藍寶石的硬度非常高，在自然材料中其硬度僅次於金剛石，但是在 LED器件的製作過程中卻需要對它進行減薄和切割（從 400nm減到 100nm左右）。添置完成減薄和切割工藝的設備又要增加一筆較大的投資。 藍寶石的導熱性能不是很好（在 100約為 25W/（ mK）。因此在使用 LED器件時，會傳導出大量的熱量；特別是對面積較大的大功率器件，導熱性能是一個非常重要的考慮因素。為了克服以上困難，很多人試圖將 GaN光電器件直接生長在矽襯底上，從而改善導熱和導電性能。 2）矽襯底 目前有部分 LED晶片採用矽襯底。矽襯底的晶片電極可採用兩種接觸方式，分別是 L接觸（ Lateral-contact , 水準接觸）和 V接觸（ Vertical-contact，垂直接 觸），以下簡稱為 L型電極和 V型電極。通過這兩種接觸方式， LED晶片內部的電流可以是橫 向流動的，也可以是縱向流動的。由於電流可以縱向流動，因此增大了 LED的發光面積，從而提高了 LED的出光效率。因為矽是熱的良導體，所以器件的導熱性 能可以明顯改善，從而延長了器件的壽命。 3）碳化矽襯底 SiC是 IV-IV族二元化合物，也是元素週期表 IV族元素中唯一的穩定固態化合物，一種重要的半導體材料。它具有優良的熱學、力學、化學和電學性質，不但是製作高溫、高頻、大功率電子器件的最佳材料之一，同時又可以用作基於 GaN的藍 色 發光二極體的襯底 材料。帶寬隙半導 體材料 SiC所制功 率器件可以承受更 高電壓、更大電流 、耗盡層可以做的 更薄，因而工作速 度更快，可使器件 體積更小、重量更 輕。 圖 6：採用藍 寶石襯底與碳化 矽襯底的 LED晶片 碳化矽襯 底（美國的 CREE公 司專門採用 SiC材料作為襯底）的 LED晶片電極是 L型電極，電流是縱向流動的。採用這種襯底製作的器件的導電和導熱性能都非常好，有利於做成面積較大的大功率器件。採用碳化矽襯底的 LED晶片如圖 6所示。 碳化矽襯底的導熱性能（碳化矽的導熱係數為 490W/(mK)）要比藍寶石襯底高出 10倍 以上。藍寶石本身是熱的不良導體，並且在製作器件時底部需要使用銀膠固晶，這種銀膠的傳熱性能也很差。使用碳化矽襯底的晶片電極為 L型，兩個電極分佈在器 件的表面和底部，所產生的熱量可以通過電極直接導出；同時這種襯底不需要電流擴散層，因此光不會被電流擴散層的材料吸收，這樣又提高了出光效率。但是相對於藍寶石襯底而言，碳化矽製造成本較高，實現其商業化還需要降低相應的成本。另外， SiC襯底吸收 380納米以下的紫外光，不適合用來研發 380納米以下的紫外LED。 4）氮化鎵 用於 GaN生長的最理想襯底是 GaN單晶材料，可以大 大提高外延膜的晶體品質，降低位元元元錯密度，提高器件工作壽命，提高發光效率，提高器件工作電流密度。但是製備 GaN體單晶非常困難，到目前為止還未有行之有效的辦法。 5）氧化鋅 ZnO之所以能成為 GaN外延的候選襯底，是因為兩者具有非常驚人的相似之處。兩者晶體結構相同、晶格識別度非常小，禁帶寬度接近（能帶不連續值小，接觸勢壘小）。但是， ZnO作為 GaN外延襯底的致命弱點是在 GaN外延生長的溫度和氣氛中易分解和腐蝕。目前， ZnO半導體材料尚不能用來製造光電子器件或高溫電子器件，主要是材料品質達不到器件水準和 P型摻 雜問題沒有得到真正解決，適合 ZnO基半導體材料生長的設備尚未研製成功。 6）襯底的性能比較 （ 1）藍寶石、矽和碳化矽三種襯底的性能比較 前面的內容介紹的就是製作 LED晶片常用的三種襯底材料。這三種襯底材料的綜合性能比較可參見下表。 （ 2）用於氮化鎵生長的襯底材料性能優劣比較 襯底材 料 Al2O3 SiC Si ZnO GaN 晶格失配度 差 中 差 良 優 介面特性 良 良 良 良 優 化學穩定性 優 優 良 差 優 導熱性能 差 優 優 優 3、 LED 襯底選擇的原則 1）晶體結構匹配 外延材料與襯底材料的晶體結構和組分相同或相近、晶格常數失配小、結晶性能好、缺陷密度低。 2）晶格匹配 襯底材料和外延膜晶格匹配至關重要。晶格匹配包含兩個 內容：一是與外延生長面內的晶格匹配，即生長介面所在平面的某一方向上襯底與外延膜相匹配；另一個是沿襯底表面法線方向上的匹配，如果這個方向上 失配度較大，則襯底表面的任何不平或微小起伏都可能引入缺陷，並延伸到外延膜中。 3）熱膨脹原則 熱膨脹係數的匹配非常重要，外延膜與襯底材料在熱膨脹係數應相近，相差過大不僅可能使外延膜在生長過程中品質下降，還可能會在器件工作過程中，由於發熱而造成器件的損壞。 4）穩定性原則 襯底材料要有好的化學穩定性，在外延生長的溫度和氣氛中不易分解和腐蝕，不能因為與外延膜的化學反應使外延膜品質下降 5）大尺寸原則 所有的襯底易於生長出較大尺寸的晶體。襯底尺寸一般不小於 2英寸。 6）集成與散熱 易於集成，散熱效果好。 7）價格 與其他 考慮到產業發展的需要，要求襯底材料的製備工藝簡單、易於加工，且成本不能太高；要求襯底的導電性能要好，這樣有利於製作。 4、 LED 襯底的工藝流程 1）藍寶石的製作流程如下： 圖 7：藍寶石襯底製作工藝流程 長晶 : 利用長晶爐生長尺寸大且高品質的單晶藍寶石晶體 定向 : 確保藍寶石晶體在掏棒機臺上的正確位置 ,便於掏棒加工 掏棒 : 以特定方式從藍寶石晶體中掏取出藍寶石晶棒 滾磨 : 用外圓磨床進行晶棒的外圓磨削 ,得到精確的外圓尺寸精度 品檢 : 確保晶 棒品質以及以及掏取後的晶棒尺寸與方位是否合客戶規格 定向 :在切片機上準確定位藍寶石晶棒的位置 ,以便於精准切片加工 切片 :將藍寶石晶棒切成薄薄的晶片 藍寶石晶體 晶棒 晶棒 基片 研磨 :去除切片時造成的晶片切割損傷層及改善晶片的平坦度 倒角 :將晶片邊緣修整成圓弧狀 ,改善薄片邊緣的機械強度 ,避免應力集中造成缺陷 拋光 :改善晶片粗糙度 ,使其表面達到外延片磊晶級的精度 清洗 :清除晶片表面的污染物 (如 :微塵顆粒 ,金屬 ,有機玷污物等 ) 品檢 :以高精密檢測儀器檢驗晶片品質 (平坦度 ,表面微塵顆粒等 ),以合乎客戶要求 第三章 LED 外延片基 礎知識 1、 LED 外延生長的概念和原理 外延生是在一塊加熱至適當溫度的襯底基片 (主要有藍寶石和、 SiC、 Si)上，氣態物質 InGaAlP有控制的輸送到襯底表面，生長出特定單晶薄膜。 LED外延片襯底材料是半導體照明產業技術發展的基石。不同的襯底材料，需要不同的 LED外延片生長技術、晶片加工技術和器件封裝技術，襯底材料決定了半導體照明技術的發展路線。 在一塊加熱至適當溫度的襯底基片（主要有藍寶石和 SiC， Si）上，氣態物質 In, Ga, Al, P有控制的輸送到襯底表面，生長出特定單晶薄膜。目前 LED外延片 生長技術主要採用有機金屬化學氣相沉積方法。 外延片的生產製作過程是非常複雜，展完外延片，接下來就在每張外延片隨意抽取九點做測試，符合要求的就是良品，其他為不良品（電壓偏差很大，波長偏短或偏長等）。良品的外延片就要開始做電極（ P極， N極），接下來就用 鐳射切割 外延片，然後百分百分撿，根據不同的電壓，波長，亮度進行 全自動化分檢，也就是形成 LED晶片（方片）。然後還要進行目測，把有一點缺 陷或者電極有磨損的，分撿出來，這些就是後面的散晶。此時在藍膜上有不符合 正常出貨要求的晶片，也就自然成了邊片或毛片等。不良品的外延片（主要是有 一些參數不符合要求），就不用來做方片，就直接做電極（ P極， N極），也不做 分檢 了，也就是目前市場上的 LED大圓片。 圖 8：外延片照片 2、 LED 外延片襯底材料選擇特點 1）襯底與外延膜的結構匹配，外延材料與襯底的晶體結構相同或相近、晶格常數失配度小、結晶性能好、缺陷密度小。 2）介面特性好，有利於外延材料成核且黏附性強。 3）化學穩定性好，在外延生長的溫度和氣氛中不易分解和腐蝕，不能因為與外延膜的化學反應使外延膜品質下降。 4）熱學性能好，包括導熱性好和熱失配度小。外延膜與襯底材 料在熱膨脹係數應相近，相差過大不僅可能使外延膜在生長過程中品質下降，還可能會在器件工作過程中，由於發熱而造成器件的損壞。 5）導電性好，能製成上下結構。 6）光學性能好，製作的器件所發出的光被襯底吸收小。 7）機械性能好，器件容易加工，包括減薄、拋光和切割等。 8）價格低廉。 9）大尺寸，所有的襯底易於生長出較大尺寸的晶體。襯底尺寸一般不小於 2英寸。 10）容易得到規則形狀襯底 (除非有其他特殊要求 )，與外延設備託盤孔相似的襯底形狀才不容易形成不規則渦流，以至於影響外延品質。 11）在不影響外延品質的前提下 ，襯底的可加工性儘量滿足後續晶片和封裝加工工藝要求。 襯底的選擇要同時滿足以上十一個方面是非常困難的。所以，目前只能通過外延生長技術的變更和器件加工工藝的調整來適應不同襯底上的半導體發光器件的研發和生產。用於氮化鎵研究的襯底材料比較多，但是能用於生產的襯底目前只有二種，即藍寶石 Al2O3和碳化矽 SiC襯底。下表對五種用於氮化鎵生長的襯底材料性能的優劣進行了定性比較。 3、 LED 外延片襯底材料種類 當前用於 GaN基 LED的襯底材料比較多，但是能用於商品化的襯底目前只有兩種，即藍寶石和碳化矽襯底。其他諸如 GaN、 Si、 ZnO襯底還處於研發階段，離產業化還有一段距離。 1）紅黃光 LED 紅光 LED以 GaP(二元系 )、 AlGaAs(三元系 )和 AlGaInP(四元系 )為主，主要採用 GaP和 GaAs作為襯底，未產業化的還有藍寶石 Al2O3和矽襯底。 （ 1） GaAs襯底 在使用 LPE生長紅光 LED時，一般使用 AlGaAs外延層，而使用 MOCVD生長紅黃光 LED時，一般生長 AlInGaP外延結構。外延層生長在 GaAs襯底上，由於晶格匹配，容易生長出較好的材料，但缺點是其吸收這一波長的光子，布拉格反射鏡或晶片鍵合技術被用於消除這種額外的技術問題。 （ 2） GaP襯底 在使用 LPE生長紅黃光 LED時，一般使用 GaP外延層，波長範圍較寬 565-700nm；使用 VPE生長紅黃光 LED時，生長 GaAsP外延層，波長在 630-650nm 之間 ；而使用 MOCVD時，一般生長 AlInGaP外延結構，這個結構很好的解決了 GaAs襯底吸光的缺點，直接將 LED結構生長在透明襯底上，但缺點是晶格失配，需要利用緩衝 層來生長 InGaP和 AlGaInP結構。另外， GaP基的 III-N-V材料系統也引起廣泛的興趣，這種材料結構不但可以改變帶寬，還可以在只加入 0.5 %氮的情況下，帶隙的變化從間接到直接，並在紅光區域具有很強的發光效應 (650nm)。採用這樣的結構製造 LED，可以由 GaNP 晶格匹配的異質結構，通過一步外延形成 LED結構，並省去 GaAs襯底去除和晶片鍵合透明襯底的複雜工藝。 2）藍綠光 LED 用於氮化鎵研究的襯底材料比較多，但是能用於生產的襯底目前只有二種，即藍寶石 Al2O3和碳化矽 SiC襯底。 （ 1）氮化 鎵襯底 用於氮化鎵生長的最理想的襯底自然是氮化鎵單晶材料，這樣可以大大提高外延片膜的晶體品質，降低位元元元錯密度，提高器件工作壽命，提高發光效率，提高器件工作電流密度。可是，製備氮化鎵體單晶材料非常困難，到目前為止尚未有行之有效的辦法。有研究人員通過 HVPE方法在其他襯底 (如 Al2O3、 SiC、 LGO)上生長氮化鎵厚膜，然後通過剝離技術實現襯底和氮化鎵厚膜的分離，分離後的氮化鎵厚膜可作為外延用的襯底。這樣獲得的氮化鎵厚膜優點非常明顯，即以它為襯底外延的氮化鎵薄膜的位元元元錯密度，比在 Al2O3、 SiC上外延 的氮化鎵薄膜的位元元元錯密度要明顯低 ；但價格昂貴。因而氮化鎵厚膜作為 半導體照明 的襯底之用受到限制。 （ 2）藍寶石 Al2O3襯底 目前用於氮化鎵生長的最普遍的襯底是 Al2O3，其優點是化學穩定性好、不吸收可見光、價格適中、製造技術相對成熟 ；不足方面雖然很多，但均一一被克服，如很大的晶格失配被過渡層生長技術所克服，導電性能差通過同側 P、N電極所克服，機械性能差不易切割通過雷 射劃片所克服，很大的熱失配對外延層形成壓應力因而不會龜裂。但是，差的導熱性在器件小電流工作下沒有暴露出明顯不足，卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出。 （ 3） SiC襯底 除了 Al2O3襯底外，目前用於氮化鎵生長襯底就是 SiC，它在市場上的佔有率位居第 2，目前還未有第三種襯底用於氮化鎵 LED的商業化生產。它有許多突出的優點，如化學穩定性好、導電性能好、導熱性能好、不吸收可見光等，但不足方面也很突出，如價格太高、晶體品質難以達到 Al2O3和 Si那麼好、機械加工性能比較差。 另外， SiC襯底吸收 380 nm以下 的紫外光，不適合用來研發 380 nm以下的紫外 LED。由於 SiC襯底優異的的導電性能和導熱性能，不需要像 Al2O3襯底上功率型氮化鎵 LED器件採用倒裝焊技術解決散熱問題，而是採用上下電極結構，可以比較好的解決功率型氮化鎵 LED器件的散熱問題。目前國際上能提供商用的高品質的 SiC襯底的廠家只有美國 CREE公司。 （ 4） Si襯底 在矽襯底上製備發光二極體是本領域中夢寐以求 的一件事情，因為一旦技術獲得突破，外延片生長成本和器件加工成本將大幅度下降。 Si片作為 GaN材料的襯底有許多優點，如晶體品質高，尺寸大，成本低，易加工，良好的導電性、導熱性和熱穩定性等。然而，由於 GaN外延層與 Si襯底之間存在巨大的晶格失配和熱失配，以及在 GaN的生長過程中容易形成非晶氮化矽，所以在 Si 襯底上很難得到無龜裂及器件級品質的 GaN材料。另外，由於矽襯底對光的吸收嚴重， LED出光效率低。 （ 5） ZnO襯底 之所以 ZnO作為 GaN外延片的候選襯底，是因為他們兩者具有非常驚人的相似之處。兩者晶體結構 相同、晶格失配度非常小，禁帶寬度接近 (能帶不連續值小，接觸勢壘小 )。但是， ZnO作為 GaN外延襯底的致命的弱點是在 GaN外延生長的溫度和氣氛中容易分解和被腐蝕。目前， ZnO半導體材料尚不能用來製造光電子器件或高溫電子器件，主要是材料品質達不到器件水準和 P型摻雜問題沒有真正解決，適合 ZnO基半導體材料生長的設備尚未研製成功。今後研發的重點是尋找合適的生長方法。但是， ZnO本身是一種有潛力的發光材料。 ZnO的禁帶寬度為 3.37 eV，屬直接帶隙，和 GaN、 SiC、金剛石等寬禁帶半導體材料相比，它在 380 nm附近紫光波段發展潛力最大，是高效紫光發 光器件 、低閾值紫光半導體雷射器的候選材料。 ZnO材料的生長非常安全，可以採用沒有任何毒性的水為氧源，用有機金屬鋅為鋅源。 （ 6） ZnSe襯底 有人使用 MBE在 ZnSe襯底上生長 ZnCdSe/ZnSe等材料，用於藍光和綠光 LED器件，最先由住友公司推出，由於其不需要螢光粉就可以實現 白光 LED的目標，故可降低成品，同時電源回路構造簡單，其操作電壓也比 GaN白光 LED低。但是其並沒有推廣，這是因為由於使用 MOCVD， p型參雜沒有很好解決，試驗中需要用到 Sb來參雜，所以一般採用 MBE生長，同時其發光效率較低，而且由於自補償效應的影響，使得其性能不穩定，器件壽命較短。 實現發光效率的目標要寄希望於 GaN襯底的 LED，實現低成本，也要通過 GaN襯底 導致高效、大面積、單燈大功率的實現，以及帶動的工藝技術的簡化和成品率的大大提高。半導體照明一旦成為現實，其意義不亞於愛迪生發明白熾燈。一旦在襯底等關鍵技術領域取得突破，其產業化進程將會取得長足發展。 4、 LED 外延片生長工藝 早期在小積體電路時代，每一個 6吋的外延片上製作數以千計的晶片，現在次微米線寬的大型 VLSI，每一個 8吋的外延片上也只能完成一兩百個大型晶片。外延片的製造雖動輒投資數百億，但卻是所有電子工業的基礎。 外延片技術與設備是外延片製造技術的關鍵所在。氣相外延（ VPE）、液相外延（ LPE）、分子 束外延（ MBE）和金屬有機化合物氣相外延（ MOCVD）都是常用的外延技術。大量實踐證明， MOCVD是一種工業化的實用技術。當前 MOCVD工藝已經成為絕大多數光電子材料的基本技術。 1）外延片的簡單工藝流程如圖 ： 見圖 9. 2）什麼是 MOCVD MOCVD是金屬有機化合物化學氣相澱積 (Metal-organic Chemical Vapor Deposition)的英文縮寫。 MOCVD是在氣相外延生長 (VPE)的基礎上發展起來的 一種新型氣相外延生長技術 .它以族、族元素的有機化合物和 V、族元素的 氫化物等 作為晶體生長源材料，以熱分解反應方式在襯底上進行氣相外延，生長 各種MOCVD -V族、 -族化合物半導體以及它們的多元固溶體的薄層單晶材料。通常系統中的晶體生長都是在常壓或低壓 (10-100Torr)下通 H2的冷壁石英 (不銹 鋼 )反應室中進行，襯底溫度為 500-1200 ,用射頻感應加熱石墨基座 (襯底