LED发光原理与芯片制造.ppt

LED的發光原理與芯片製造 報告者 LED的发展 特别是芯片的发展LED芯片的结构与发光原理LED芯片的制造过程LED的封装与应用未来的展望 报告的主要内容 发光二极管Light EmittingDiode是由数层很薄的掺杂半导体材料制成 当通过正向电流时 n区电子获得能量越过PN结的禁带与p区的空穴复合以光的形式释放出能量 发光二极管的发展 LED的发展 芯片的发展 可见光LED的发展史 发光效率高 节省能源耗电量为同等亮度白炽灯的10 20 荧光灯的1 2 绿色环保冷光源 不易破碎 没有电磁干扰 产生废物少寿命长寿命可达10万小时固体光源 体积小 重量轻 方向性好单个单元尺寸只有3 5mm响应速度快 并可以耐各种恶劣条件低电压 小电流 LED的优点 發光二極體產業結構 相關廠商 SubstrateLPEVPEMOVPE 單晶材料 GaAs GaP磊晶片 GaAs AlGaAs GaAsP AlGaInP製造設備 LPE VPE MOVPE 日本 Nichia ToyotaGosei 丰田合成 美国 Lumileds Cree欧洲 Osram台湾 晶元 元砷 廣鎵 華上 大陆 三安 聯創 路明 上游材料 DiffusionPhotolithographyMetallizationDicing 發光二極體晶粒 光二極體晶粒 光電晶體晶粒 中游製程 晶粒 Die MountWire BondEncapFinalTest 下游封裝 LEDLampSMDLEDChipLEDIRLEDBackLightLightSource ClusterLampClockDisplayDotMatrix7 SegmentNumericDisplayPhotocoupler 產品 光寶億光興華今台佰鴻先益光鼎李洲立基琭旦华郎伊莱三永茂纶 日本 Nichia ToyotaGosei美国 Lumileds Cree欧洲 Osram台湾 晶元 光磊 元砷 廣鎵 華上 燦圓 大陆 三安 聯創 路明 能源问题已成为当今人类社会的热门话题 节约能源与环保问题日趋提上议程 节能应成为各国的城市照明建设需要考虑的重要问题之一 目前约有21 的电源用于照明 如果能在固体照明领域节省一半的能源 则会对人类的节约能源作出巨大的贡献 20世纪中叶出现在市场上的第一批LED产品 经过50多年的发展历程 在技术上已经取得了长足的进步 现在 LED的平均发光效率已达到了70lm W 流明 瓦特 其光强已达到了烛光级 辐射光的颜色形成了包含白光的多元化色彩 并且寿命可达到数万小时 特别是在最近几年 LED的产品质量提高了近10倍 而制造成本已下降到早期的十分之一 这种趋势还在进一步的发展之中 从而使LED成为信息光电子新兴产业中极具影响力的新产品 世界各个国家均积极参与研发工作 光子与电子基本上具有三种交互方式 吸收 自发放射及激发放射 原子的两能级E1和E2 E1代表基态 E2代表第一激发态 在E1基态的原子吸收光子后跃迁至激发态E2 此能态的改变为吸收 激发态原子非常不稳定 经过很短的时间 不需任何外力下会跳回基态而释放出光子 此程序为自发放射 当光子照射在激发态原子上 该原子被激发跃回基态而放出与照射原子同相释放光子 此程序称为激发放射 LED芯片的发光原理 LED在内部结构上有和半导体二极管相似的P区和N区 相交界面形成PN结 LED的电流大小是由加在二极管两端的电压大小来控制的 LED是利用正向偏置PN结中电子与空穴的辐射复合发光的 是自发辐射发光 发射的是非相干光 理论和实践证明 光的峰值波长 与发光区域的半导体材料禁带宽度 g有关 即 1240 Eg mm 式中Eg的单位为电子伏特 eV 若能产生可见光 波长在380nm紫光 780nm红光 半导体材料的Eg应在3 26 1 63eV之间 比红光波长长的光为红外光 现在已有红外 红 黄 绿及蓝光发光二极管 LEDPN结的电性质 发光材料 由图可知 这些材料的发光范围由红光到紫外线 照明领域使用的LED有两大类 一类是磷化铝 磷化镓和磷化铟的合金 AlGaInP或AlInGaP 可以做成红色 橙色和黄色的LED 另一类是氮化铟和氮化镓的合金 InGaN 可以做成绿色 蓝色和白色的LED 发光材料大部分是 族 族及 族元素的带隙与晶格常数的关系 图 a 是直接带隙材料 包括GaN InN AlN GaAs InP InAs及GaAs等图 b 是间接带隙材料 包括Si Ge AlAs及AlSb等目前发光二极管用的都是直接带隙的材料 a 直接带隙 b 间接带隙 Blue Green Yellow Orange White Red Amber W White GaN x 0 32 y 0 31 B Blue InGaN 470nm V Verde Green InGaN 505nm T TrueGreen InGaN 525nm P PureGreen GaP 560nm G Green GaP N 570nm Y Yellow InGaAlP 587nm O Orange InGaAlP 605nm A Amber InGaAlP 615nm S Super Red InGaAlP 630nm H Hyper Red GaAlAs 645nm s 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 blue green red yellow white B Blue GaN 466nm W White InGaN x 0 32 y 0 31 Colourtriangle CIE色度图 芯片的结构与发光效率 芯片的内部结构 采用量子阱活性层就可以增加发光效率用光子循环的方法增加内部量子效率电流扩散层 降低串联电阻 使加于LED上的电流扩散开电流局限层 使电流流不到在电接触区下的量子阱区 防止只在电极附近发光 透明衬低或反射镜 分布式布拉格反射镜 DBR 芯片的外部结构 半圆形球面 一般的平面LED光因临界角被限制不易射出 所以采用半圆形球面 使光不受临界角的限制射出 表面织状结构或粗糙面 增加光输出几何形状改变的结构 增加光输出衬低上有高反射镜 全方向高反射率反光镜LED ODR OmnidirectionalReflector 在同一窗口层厚度时 ODRLED的光取出效率比DBRLED要高很多 MQWLED结构图 当LED的发光区厚度d小于电子或者空穴之物质波长l时 能带开始不再是连续 而形成量化的能级 可提高电子和空穴结合机会 提高量子效率 而且能级量化 能隙变大 发光波长往短波长移动 发光时接近间接能隙而降低量子效率的困扰 台湾工研院光电所用ITO层制作的微电流散布层 厚的窗口层可以增加电流的均匀分布 但厚的窗口层不易制作而且价格昂贵 增加一层电流扩散层 可降低串联电阻 使加于LED上的电流扩散开 提高发光效率 以前很多采用Ni Au层的 现在主要使用ITO层 东芝公司用N局限层在P电接触区减少不发光区电流的分布以增加效率 一般电流局限层 CBL 都是间接做在P极下 CBL层很多用SiO2做成 其目的是使电流流不到在电接触区下的量子阱区 防止只在电极附近发光 半圆形球面封装LED 多方向高反射率反射镜LED结构 多方向高反射率反射镜的结构 全方向高反射率反光镜LED ODR OmnidirectionalReflector 同一窗口层厚度时 ODRLED的光取出效率比DBRLED要高很多 在金属与半导体之间有SiO2加上许多小杆壮电接触 全部约占1 截顶金字塔结构LED LED不同结构不同的光取出 日亚公司1993年首创的蓝光LED芯片结构 HBLEDChip StructureofHBLED Substrate GaAs GaP Sapphire SiC MetalActiveLayer QWorDH AlGaInPorInGaN DBR ASonly AlAs AlGaAs AlGaInP AlInPCladding AlGaInP AlInP AlGaNWindowLayer InxGaP GaP AlGaAs ITO TCL LED芯片的制造技术 首先在衬低上制作各種相關基底的外延片 这个过程主要是在金属有机化学气相沉积外延炉中完成的 准备好制作基底外延片所需的材料源和各种高纯的气体之后 按照工艺的要求就可以逐步把外延片做好 接下来是对LEDPN结的两个电极进行加工 电极加工也是制作LED芯片的关键工序 包括清洗 蒸镀 黄光 化学蚀刻 熔合 研磨 然后对LED毛片进行划片 测试和分选 就可以得到所需的LED芯片 LED制作流程分为两大部分 制作LED外延片的主要方法 气相外延 VPE 材料在气相状况下沉积在单晶基片上 这种生长单晶薄膜的方法叫气相外延法 气相外延有开管和闭管两种方式 液相外延 LPE 将用于外延的材料溶解在溶液中 使达到饱和 然后将单晶基片浸泡在这溶液中 再使溶液达到过饱和 这就导致材料不断地在基片上析出结晶 控制结晶层的厚度得到新的单晶薄膜 分子束外延 MBE 在超高真空条件下 由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气 经小孔准直后形成的分子束或原子束 直接喷射到适当温度的单晶基片上 同时控制分子束对衬底扫描 就可使分子或原子按晶体排列一层层地 长 在基片上形成薄膜 等离子体增强化学气相淀积 PECVD 是利用高频在两平板电极之间激发气体放电形成等离子体 高化学活性的反应物可使成膜反应在较低温度下进行 金属有机化合物气相外延 MOCVD 在气相外延生长 VPE 的基础上发展起来的一种新型汽相外延生长技术 它采用 族 族元素的有机化合物和 族元素的氢化物等作为晶体生长原料 以热分解反应方式在衬底上进行汽相外延 生长各种 族 族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄膜层单晶材料 常用的衬底主要有蓝宝石 碳化硅和硅衬底 还有GaAs AlN ZnO等材料 MOCVD通过控制温度 压力 反应物浓度 族的有机金属和 族比例 从而控制镀膜成分 晶相等品质 MOCVD外延炉是制作LED外延片最常用的设备 利用熔合设备将蚀刻好的晶片放入该项设备 一段时间 使蒸镀金属层之间或蒸镀金属与磊晶片表层原子相互熔合 目的形成ohmic contact 利用化学药水 通常是酸性药水 将发光区裸露的金属层蚀刻掉 依晶片的晶粒晶格大小图案 作第一次切割 目的是为方便往后的晶粒点测 如果晶片清洗不够干净 蒸镀系统不正常 会导致蒸镀出来的金属层 指蚀刻后的电极 会有脱落 金属层外观变色 金泡等异常 蒸镀过程中有时需用弹簧夹固定晶片 因此会产生夹痕 黄光作业中若显影不完全及光罩有破洞会在发光区产生残金残铝 化学作用中牵涉到浓度 时间 数量及反应速率等参数 因此对晶粒电极外观会有一致性的问题产生 例如有些电极脚会变细或消失 晶片在制程中 必须使用镊子及花篮 载具等 因此会有晶粒电极刮伤情形发生 经过测试后还进行二刀切割 可能会造成背面崩裂 LED的测量参数 评价LED要涉及到很多技术指标 参数 其主要的技术指标包括 输入参数为电量的各项指标 即电学指标 主要有 正向电压VF 正向电流VI 反向漏电流IR 工作时的耗散功率PD 在高频电路中 还要考虑 结电容Cj和响应时间 输出参数为光学的指标 也含光的强弱和波长等各项指标 代表输入与输出之间电 光转换效率的指标 主要有 光功率效率 流明效率 与LED器件性能有关的热学指标 主要有 热阻Rth 储存环境温度与工作温度 还有其他的如 防静电指标 失效率和寿命等 LED的封装与应用 芯片制成以后 除了要对LED芯片的两个电极进行焊接 从而引出正负电极外 同时还要对LED芯片和两个电极进行保护 这就要求封装工艺 对LED的封装要实现输入电信号 保护芯片正常工作 保证可见光的输出 其中既有电参数又有光参数的设计及技术要求 常见的封装方式 包括引脚式封装 平面式封装 比较有名的有 表面贴片二极管 SMD 和食人鱼封装技术 对大功率LED芯片封装 要求更复杂 在各种新兴的应用领域不断涌现的带动下 近些年LED市场规模得到了快速提升 LED的应用领域已经从最初简单的电器指示灯 LED显示屏 发展到LED背光源 景观照明 室内装饰灯 汽车照明等其他领域 由于LED具有寿命长 无污染 功耗低的特点 未来LED还将逐步