LED基本信息整理.doc

LED相关知识LED 是英文 light emitting diode （发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以 LED 的抗震性能好。LED发光的原理：半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。1.外延生长的基本原理是在一块加热至适当温度的衬底基片（主要有蓝宝石和、SiC、Si）上，气态物质InGaAlP有控制的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法。2.MOCVD介绍金属有机物化学气相淀积（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，简称 MOCVD）， 1968年由美国洛克威尔公司提出来的一项制备化合物半导体单品薄膜的新技术。该设备集精密机械、半导体材料、真空电子、流体力学、光学、化学、计算机多学科为一体，是一种自动化程度高、价格昂贵、技术集成度高的尖端光电子专用设备，主要用于GaN（氮化镓）系半导体材料的外延生长和蓝色、绿色或紫外发光二极管芯片的制造，也是光电子行业最有发展前途的专用设备之一。MOCVD生长过程可以描述成以下：被精确控制流量的反应原材料在载气（通常为H2，也有为N2）的携带下，被通过入石英或者不锈钢的反应室内，在衬底上表面发生反应后生长外延层，衬底是放在被加热的基座上的，在反应后残留的尾气被扫出反应室，通过去除微粒和毒性的尾气处理装置后被排除系统。3.LED芯片的制造工艺流程外延片清洗镀透明电极层透明电极图形光刻腐蚀去胶平台图形光刻干法刻蚀去胶退火SiO2沉积窗口图形光刻SiO2腐蚀去胶N极图形光刻预清洗镀膜剥离退火P极图形光刻镀膜剥离研磨切割芯片成品测试。清洗：通过有机溶剂的溶解作用，结合超声波清洗技术去除硅片表面的有机杂质。此工序产生有机废气和废有机溶剂。 RCA清洗：通过多道清洗去除硅片表面的颗粒物质和金属离子。SPM清洗：用H2SO4溶液和H2O2溶液按比例配成SPM溶液，SPM溶液具有很强的氧化能力，可将金属氧化后溶于清洗液，并将有机污染物氧化成CO2和H2O。用SPM清洗硅片可去除硅片表面的有机污物和部分金属。此工序会产生硫酸雾和废硫酸。 DHF清洗：用一定浓度的氢氟酸去除硅片表面的自然氧化膜，而附着在自然氧化膜上的金属也被溶解到清洗液中，同时DHF抑制了氧化膜的形成。此过程产生氟化氢和废氢氟酸。 APM清洗：APM溶液由一定比例的NH4OH溶液、H2O2溶液组成，硅片表面由于H2O2氧化作用生成氧化膜（约6nm呈亲水性），该氧化膜又被NH4OH腐蚀，腐蚀后立即又发生氧化，氧化和腐蚀反复进行，因此附着在硅片表面的颗粒和金属也随腐蚀层而落入清洗液内。此处产生氨气和废氨水。 HPM清洗：由HCl溶液和H2O2溶液按一定比例组成的HPM，用于去除硅表面的钠、铁、镁和锌等金属污染物。此工序产生氯化氢和废盐酸。 LED外延片： LED外延片生长的基本原理是：在一块加热至适当温度的衬底基片(主要有蓝宝石和、SiC、Si)上，气态物质InGaAlP有控制的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法。 LED外延片衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石。不同的衬底材料，需要不同的LED外延片生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。 LED外延片衬底材料选择特点： 1、结构特性好，外延材料与衬底的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、缺陷密度小 2、界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性强 3、化学稳定性好，在外延生长的温度和气氛中不容易分解和腐蚀 4、热学性能好，包括导热性好和热失配度小 5、导电性好，能制成上下结构 6、光学性能好，制作的器件所发出的光被衬底吸收小 7、机械性能好，器件容易加工，包括减薄、抛光和切割等 8、价格低廉。 9、大尺寸，一般要求直径不小于2英吋。 10、容易得到规则形状衬底(除非有其他特殊要求)，与外延设备托盘孔相似的衬底形状才不容易形成不规则涡流，以至于影响外延质量。 11、在不影响外延质量的前提下，衬底的可加工性尽量满足后续芯片和封装加工工艺要求。 （1）LED红黄光外延片衬底材料选择：红光LED以GaP(二元系)、AlGaAs(三元系)和AlGaInP(四元系) 外延层为主，主要采用GaP和GaAs作为衬底，未产业化的还有蓝宝石Al2O3和硅衬底。 1、GaAs衬底：在使用LPE生长红光LED时，一般使用AlGaAs外延层，而使用MOCVD生长红黄光LED时，一般生长AlInGaP外延结构。外延层生长在GaAs衬底上，由于晶格匹配，容易生长出较好的材料，但缺点是其吸收这一波长的光子，布拉格反射镜或晶片键合技术被用于消除这种额外的技术问题。 2、GaP衬底：在使用LPE生长红黄光LED时，一般使用GaP外延层，波长范围较宽565-700nm;使用VPE生长红黄光LED时，生长GaAsP外延层，波长在630-650nm 之间;而使用MOCVD时，一般生长AlInGaP外延结构，这个结构很好的解决了GaAs衬底吸光的缺点，直接将LED结构生长在透明衬底上，但缺点是晶格失配，需要利用缓冲层来生长InGaP和AlGaInP结构。另外，GaP基的III-N-V材料系统也引起广泛的兴趣，这种材料结构不但可以改变带宽，还可以在只加入0.5 %氮的情况下，带隙的变化从间接到直接，并在红光区域具有很强的发光效应(650nm)。采用这样的结构制造LED，可以由GaNP 晶格匹配的异质结构，通过一步外延形成LED结构，并省去GaAs衬底去除和晶片键合透明衬底的复杂工艺。 （2）LED蓝绿光外延片衬底材料选择： 用于氮化镓研究的衬底材料比较多，但是能用于生产的衬底目前只有二种，即蓝宝石Al2O3和碳化硅SiC衬底。 1、蓝宝石Al2O3衬底：目前用于氮化镓生长的最普遍的衬底是Al2O3，其优点是化学稳定性好、不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟;很大的晶格失配被过渡层生长技术所克服，导电性能差通过同侧P、N电极所克服，机械性能差不易切割通过雷射划片所克服，很大的热失配对外延层形成压应力因而不会龟裂。但是，差的导热性在器件小电流工作下没有暴露出明显不足，却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。 3、SiC衬底：除了Al2O3衬底外，目前用于氮化镓生长衬底就是SiC，它在市场上的占有率位居第2，目前还未有第三种衬底用于氮化镓LED的商业化生产。它有许多突出的优点，如化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等，但不足方面也很突出，如价格太高、晶体品质难以达到Al2O3和Si那麼好、机械加工性能比较差。 另外，SiC衬底吸收380 nm以下的紫外光，不适合用来研发380 nm以下的紫外LED。由于SiC衬底优异的的导电性能和导热性能，不需要像Al2O3衬底上功率型氮化镓LED器件采用倒装焊技术解决散热问题，而是采用上下电极结构，可以比较好的解决功率型氮化镓LED器件的散热问题。 （3）LE白光的生产：LED技术的开发，从早期的红光、绿光，一直到开发成功蓝光LED，才通过整合红、蓝、绿，或把蓝光荧光粉与黄色荧光粉混合，成为白光LED。第一条是RGB，也就是红光LED+绿光LED+蓝光LED，LED走RGB合成白光的这种办法主要的问题是绿光的转换效率底，现在红绿蓝LED转换效率分别达到30%，10%和25%，白光流明效率可以达到60lm/w。 第二条路是LED+不同色光荧光粉：第一个方法是用紫外或紫光LED+RGB荧光粉来合成LED，这种工作原理和日光灯是类似的，但是比日光灯的性能要优越，其中紫光LED的转换系数可达80%，各色荧光粉的量子转换效率可以达到90%，还有一个办法是用蓝光LED+红绿荧光粉，蓝光LED效率60%，荧光粉效率70%；还有是蓝光LED+黄色荧光粉来构成白光。 两种途径相比较之下，RGB三色LED合成白光综合性能好，在高显色指数下，流明效率有可能高到200lm/w，要解决的主要技术难题是提高绿光LED的电光转换效率，目前只有13%左右，同时成本高。 发光强度：发光强度的衡量单位有照度单位（勒克司Lux）、光通量单位（流明Lumen）、发光强度单位（烛光 Candlepower）1CD（烛光）指完全辐射的物体，在白金凝固点温度下，每六十分之一平方厘米面积的发光强度。（以前指直径为2.2厘米，质量为75.5克的鲸油烛，每小时燃烧7.78克，火焰高度为4.5厘米，沿水平方向的发光强度）1L（流明）指1 CD烛光照射在距离为1厘米，面积为1平方厘米的平面上的光通量。1Lux（勒克司）指1L的光通量均匀地分布在1平方米面积上的照度。可见光的光谱和白光的关系 众所周之，可见光光谱的波长范围为，是人眼可感受到的七色光红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，但这七种颜色的光都各自是一种单色光led灯的好坏指标：led灯的好坏的几个指标是：角度、亮度、颜色（波长）一致性、抗静电能力、抗衰减能力等；LED的制作过程与制作Si晶圆IC很相似，首先使用化学周期表中超高纯度的III族元素铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)，以及V族元素氮(N)、磷(P)、砷(As)为材料，在高温下反应成为化合物，经过单晶生长技术，制成单晶棒，经过切割、研磨、抛光成为晶片，再将其作为基板(substrate)，使用磊晶技术将发光材料生长在基板上，制成的磊晶片经过半导体镀金和蚀刻工艺後，通过细切加工成LED晶粒。 LED晶片的分类1、按发光亮度分：A、一般亮度：RHGYE等B、高亮度：VGVYSR等C、超高亮度：UGUYURUYSURFUE等D、不可见光(红外线)：RSIRVIRHIRE、红外线接收管：PTF、光电管：PD2、按组成元素分：A、二元晶片(磷镓)：HG等B、三元晶片（磷镓砷）：SRHRUR等C、四元晶片(磷铝镓铟)：SRFHRFURFVYHYUYUYSUEHE、UGLED晶片特性表（详见下表介绍）：LED晶片型号发光颜色组成元素波长（nm）VIR 红外线GaAlAs940IR 红外线GaAs940SIR红外线GaAlAs880HIR 红外线GaAlAs850H 高红GaP697SR较亮红色GaA/AS660HR 超亮红色GaAlAs660UR 最亮红色GaAlAs660R 红色GAaAsP655E 桔色GaAsP/GaP635URF 最亮红色AlGalnP630HE 超亮桔色AlGalnP620UE 最亮桔色AlGalnP620SE高亮桔色GaAsP/GaP610HY超亮黄色AlGalnP595UY 最亮黄色AlGalnP595UYS 最亮黄色AlGalnP587Y黄色GaAsP/GaP585VY 较亮黄色GaAsP/GaP585UG 最亮绿色AIGalnP574G 绿色GaP565VG 较亮绿色GaP565G 标准绿GaP560PG 纯绿GaP555DGM 较亮青绿色lnGaN523DGL 较亮青绿色LnGaN/GaN505SGL 青绿色lnGaN/sic502DBK 较亮蓝色GaunN/Gan470SBK较亮蓝色lnGaN/sic468SBI蓝色lnGaN/sic430Chip的主要参数：VF(顺向电压)：