LED材料综合介绍.ppt

能化一班第四组张咏欣 沈一康 黎营涛 石子兴 王五强 走近LED 产品应用 发光原理及芯片制作 最新进展 结构与材料 简介 初识LED LED LightEmittingDiode 是一种可以将电能转化为光能的固态半导体电子器件 具有二极管的特性 LED的心脏是一个半导体的芯片 芯片主要由P型半导体和N型半导体组成 不同材料的P型和N形半导体经正向电流作用下会发出不同色彩的光 LED照明发展简史 LED与传统光源发光对比 500000 LED优势 LED劣势 为什么leD会有这些优点和缺点呢 深入了解led 封装材料结构 LED照明是LED的一种应用 从LED产业链来看整个照明产业链来看整个照明产业链 可区分为上游晶粒 中游封装 下游应用 在中国照明产业链基本上存有光源全球化 灯具本地化的产业特性 如图 LED照明产业链图解 LED产业链 能带当原子凝聚成为固体时 由于原子间的相互作用 相应于孤立原子的每个能级加宽 由间隔极小 准连续 的分立能级组成能带 能带间隔着禁带 导带和价带之间的区域表示固体中的电子不能具有的能量 所以称为禁带 能量以Eg表示 Eg Ec Ev由此可知若电子从导带底Ec能量处跃迁至价带顶Ev时 会释放出Eg的能量 当这些能量全以光子的形式发出时辐射出的光的频率满足 Eg hv当v满足在可见光区的时候 即发射出人眼可见的光 发光原理 发光原理 LED的PN结 具有单向导电性 加正偏压时 即P型材料接电源正极 N型材料接电源负极时 PN结的势垒降低 使P区和N区的多数载流子向对方的区域扩散 形成较大的正向电流 注入P区的电子和能级处于价带附近的空穴在PN结附近相遇 就会发生复合 由P区注入N区的空穴也会与该区的电子复合 电子与空穴复合时 能级是从较高的导带跃迁到较低的价带 这样就会有多余的能量以光子的形式释放出来 LED产业链上游晶粒 上游 衬底 外延片 晶粒的生产1 制造成单晶棒 再将单晶棒用钻石刀切成薄片 主要有蓝宝石和 SiC Si 长晶炉生长 掏取晶棒 滚磨 品检 切片 研磨 抛光 清洗 品检 OK2 外延片生产 利用MOCVD金属有机化学气相淀积等方法在单晶衬底在上面磊晶衬底 结构设计 缓冲层生长 N型GaN层生长 多量子阱发光层生 P型GaN层生长 退火 检测 荧光 X射线 外延片3 芯片生产 在外延片上制作电极 PN电极 并对成品进行切割分选等外延片活化 蚀刻 蒸镀 PN电极制作 保护层 上焊盘 研磨抛光 点测 切割 扩张 目检 包装 1 LED衬底材料概念 衬底又称基板 也有称之为支撑衬底 作用 衬底主要是外延层生长的基板 在生产和制作过程中 起到支撑和固定的作用 且与外延层的特性配合要求比较严格 否则会影响力到外延层的生长或是芯片的品质 衬底材料的要求 1 结构特性好 晶圆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 接口特性好 有利于晶圆料成核且黏附性强 3 化学稳定性好 在晶圆生长的温度和气氛中不容易分解和腐蚀 4 热学性能好 要具备良好的导热性 5 导电性好 有利于衬底电极的制备 3 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 8 价格低廉 9 大尺寸 一般要求直径不小于2英寸 目前市面上GaN基系列一般有三种材料可作为衬底 蓝宝石 Al2O3 硅 Si 碳化硅 SiC 除了以上三种常用的衬底材料之外 还有GaAs AlN ZnO等材料也可作为衬底 通常根据设计的需要选择使用 LED衬底材料的种类及其优缺点 2 外延材料要求 要有足够的禁带宽度 为使光的波长在可见光范围内 半导体材料的禁带宽度要求应为1 72V 3 1V 一般元素半导体是不能满足这个要求的 而一般的化合物半导体都具有比元素半导体更宽的禁带宽度 可以满足要求 能够制作高导电率的P型 N型半导体晶体 以获得良好的PN结 晶体必须具有足够的电导率才可以提供高发光率所需的电子 空穴对 发光复合率要大 由于发光复合率直接影响发光效率 所以目前高亮度LED和超高亮度LED大都采用具有较大发光复合率的直接跃迁型半导体材料 能够生产少晶格缺陷和杂质的晶体 杂质能级会影响半导体材料的性能 基于上述要求 我们制备LED外延所用的材料大都是3 5族化合物半导体 例如砷化镓G 磷化镓 镓铝砷等等 一般元素半导体不符合上述要求 选择化合物半导体还有很多好处 例如在确定了LED的发光波长后 还可以通过调节多元半导体材料的组分配比来控制它的禁带宽度 进而改变它的发光颜色 使它的颜色由黄色变为深红 得到红 黄 绿等不同颜色 几种典型的材料 1 四元素化合物半导体材料AllnGaP能发射红光 625nm 橙光 611nm 和黄光 590nm 是目前制造这一波长范围的高亮度LED的主要材料 2 氮化镓是制作白光LED的理想材料 但制作GaN的单晶材料非常困难 且价格很高 3 AlInGaN是制作蓝光发射的LED材料 通过控制材料的组分比 其禁带宽度可以在1 9 6 2eV之间变化 使其颜色范围覆盖了从可见光到紫外光 并且可以用来开发白光LED 4 AlGaAs是最早使用的高亮度的LED材料 切割测试封装技术 LED产业链中游 1 测试 1 电特性LED电特性参数包括正向电流 正向电压 反向电流和反向电压 LED必须在合适的电流电压驱动下才能正常工作 通过LED电特性的测试可以获得LED的最大允许正向电压 正向电流及反向电压 电流 2 光特性类似于其它光源 LED光特性的测试主要包括光通量和发光效率 辐射通量和辐射效率 光强和光强分布特性和光谱参数等 3 光谱参数LED的光谱特性参数主要包括峰值发射波长 光谱辐射带宽和光谱功率分布等 单色LED的光谱为单一波峰 特性以峰值波长和带宽表示 而白光LED的光谱由多种单色光谱合成 所有LED的光谱特性都可由光谱功率分布表示 而由LED的光谱功率分布还可计算得到色度参数 4 开关特性LED开关特性是指LED通电和断电瞬间的光 电 色变化特性 通过LED开关特性的测试可以获得LED在通断电瞬间工作状态 物质属性等的变化规律 由此不仅可了解通断电对LED的损耗 也可用以指导LED驱动模块的设计等 5 颜色特性LED的颜色特性主要包括色品坐标 主波长 色纯度 色温及显色性等 LED的颜色特性对白光LED尤为重要 6 热学特性LED的热学特性主要指热阻和结温 热阻是指沿热流通道上的温度差与通道上耗散的功率之比 结温是指LED的PN结温度 LED的热阻和结温是影响LED光电性能的重要因素 7 可靠性LED的可靠性包括静电敏感度特性 寿命 环境特性等 2 LED封装 LED光源的核心部份 散热LED不能加大输入功率的基本原因 是由于LED在工作过程中会放出大量的热 使结温迅速上升 热阻变大 输入功率越高 发热效应越大 温度的升高将导致器件性能变化与衰减 非辐射复合增加 器件的漏电流增加 半导体材料缺陷增长 金属电极电迁移 封装用环氧树脂黄化等等 严重影响LED的光电参数 甚至使功率LED失效 因此 对于LED器件 降低热阻与结温 对发光二极管的热特性进行研究显得日趋重要 LED光源的核心部份 配光配光可以控制灯具的照射范围 照射方向 估计有效安装高度 射程 当然跟光源有关系 照射范围里的大概照度如何 照明环境的布光效果等 LED封装的必要性LED芯片只是一块很小的固体 它的两个电极要在显微镜下才能看见 加入电流之后他才会发光 在制作工艺上 除了要对LED芯片的两个电极进行焊接 从而引出正极 负极之外 同时还需要对LED芯片和两个电极进行保护 LED封装的作用一般来说 封装的功能在于提供芯片足够的保护 防止芯片在空气中长期暴露或机械损伤而失效 以提高芯片的稳定性 对于LED封装 还需要具有良好光取出效率和良好的散热性 好的封装可以让LED具备更好的发光效率和散热环境 进而提升LED的寿命 封装是白光LED制备的关键环节 半导体材料的发光机理决定了单一的LED芯片无法发出连续光谱的白光 因此工艺上必须混合两种以上互补色的光而形成白光 目前实现白光LED的方法主要有三种 蓝光LED YAG黄色荧光粉 RGB三色LED 紫外LED 多色荧光粉 而白光LED的实现都是在封装环节 良好的工艺精度控制以及好的材料 设备是白光LED器件一致性的保证 LED封装技术的要素有三点 封装结构设计 选用合适封装材料和工艺水平 目前LED封装结构形式有100多种 主要的封装类型有Lamp系列40多种 SMD系列30多种 COB系列30多种 大功率封装等 封装技术的发展要紧跟和满足LED应用产品发展的需要 Lamp LED 早期出现的是直插LED 它的封装采用灌封的形式 灌封的过程是先在LED成型模腔内注入液态环氧树脂 然后插入压焊好的LED支架 放入烘箱中让环氧树脂固化后 将LED从模腔中脱离出即成型 由于制造工艺相对简单 成本低 有着较高的市场占有率 例如常见的引脚式封装 SMD系列 很好地解决了亮度 视角 平整度 可靠性 一致性等问题 采用更轻的PCB板和反射层材料 在显示反射层需要填充的环氧树脂更少 并去除较重的碳钢材料引脚 通过缩小尺寸 降低重量 可轻易地将产品重量减轻一半 最终使应用更趋完美 尤其适合户内 半户外全彩显示屏应用 COB封装 COB封装可将多颗芯片直接封装在金属基印刷电路板MCPCB 通过基板直接散热 不仅能减少支架的制造工艺及其成本 还具有减少热阻的散热优势 大功率LED 分为单芯片大尺寸和多芯片小尺寸组合两种 封装 1 光衰封装结构要有高的取光效率2 散热热阻要尽可能低 这样才能保证功率LED的光电性能和可靠性 因此 管壳及封装是其关键技术 功率型LED的热特性 1 环氧树脂封装工艺 优点 密封性好 抗震性强 防护能力好 成本低缺点 散热效果不佳 耐黄变能力弱 应力大 抗紫外能力弱 焊接温度过高易开裂 故主要作为普光LED外封胶2 硅树脂封装工艺 优点 高折射率 高透光率 密封性能优于硅胶 散热能力介于环氧树脂和硅胶之间 具有树脂和硅胶的部分特性缺点 应力较硅胶大 防潮或焊接不当易出现胶裂 分层硅树脂由于价格昂贵 主要作为高亮度级白光LED外封胶3 硅胶封装工艺 优点 热膨胀系数小 散热性能好 应力较小 紫光能力强 回流焊时不容易胶裂 耐黄变能力强缺点 密封性不佳 防护能力弱 抗震性差 具有透氧透湿特性 用于户外时需对灯体结构进行二次防护 处理硅脂相对价格较贵 主要作为对光衰有要求的白光LED封胶 目前常见的基板种类有 硬式印刷电路板 高热导系数铝基板 陶瓷基板 软式印刷电路板 金属复合材料等 LED的应用 生活中到处都是LED产品 建筑物外观照明 景观照明 标识与指示性照明 车辆指示类照明 室内空间展示照明 娱乐场所及舞台照明 视频屏幕 植物照明 建筑外观照明 2008年北京奥运会对LED照明的集中展示让国人对LED有了全新的认识 有力推动了中国半导体照明产业的发展 当前中国半导体产业大而不强 核心竞争力仍有待于进一步提升 对国内企业而言 壮大规模 提高产品质量与技术水平是首要任务 提高未来取得大厂专利授权时的要价能力 或逐步通过研发突破核心专利 美轮美奂的北京奥运会水立方LED外景 LED显示屏 随着LED材料技术和工艺水平提升 LED显示屏以突出优势成为平板显示的主流产品之一 LED显示屏在各行各业广泛应用 比如在银行 证券交易所 机场 车站 港口 体育场馆 道路交通等领域 LED应用于汽车照明 汽车工业上的应用 汽车用灯包含汽车内部的仪表板 音响指示灯 开关的背光源 阅读灯和外部的刹车灯 尾灯 侧灯以及头灯等 利用LED长寿命 响应速度快的优点 LED在交通信号灯方面的应用 由于LED具有亮度高 省电及寿命长的优点 因此在交通信号灯邻域得到了大量应用 在我国 高亮度LED城市交通信号灯也已开始应用 上海市已明确规定 新安装的交通信号灯一律使用LED LED用作背光源 LED用做背光源已经得到了广泛的共识 如手机 笔记本电脑等都采用LED作为背光源 由于LED体积小 发光亮度高 省电 并且安装方便 颜色多样 所以手机的背光源都采用LED LED在城市亮化工程和夜景工程中的应用 城市亮化工程十分必要 一个城市的道路 社区的照明 公园的照明 广场商业中心的照明都直接显示一个城市亮点 城市的亮化工程有两个关键的问题 一是耗电十分严重 二是这些工程做好之后的维修工作十分困难 光源更换和线路维修 对于以上问题 可以利用LED光源来解决 LED的使用电量为白炽灯的十分之一 是荧光灯的二分之一 LED的使用寿命可达几万小时 流过电流不会过大 不会造成线路老化烧毁 从而减少维修工作 LED应用于特种照明 1 LED手电筒 与钨丝手电筒相比既省电 亮度也比钨丝灯泡亮 2 LED生物信号 利用LED能发出不同波长的光 选择某个波长的光就可以促进植物生长 利用动物对某个波长光特别敏感 可将LED用于捕鱼业 用LED在飞机上打电话LED不仅能照明 还能上网 在飞机上利用LED上网 打电话 不会危及飞机安全 目前 坐飞机必须关闭手机 也不能上网 但是只要在飞机座位顶上安一盏LED灯 再在电脑或手机上安装LED的脉冲信号接收装置 就能上网 打手机 不会干扰飞机雷达信号 飞机安全丝毫不受影响 LED隐形眼镜芬兰AaltoUniversity所开发的仿生LED隐形眼镜 能将资讯传送到内含LED的透明蓝宝石基板 佩戴者可以直接从隐形眼镜读取e mail等过去只能从电脑中读取的资讯 把过去只能在科幻片看到的场景 搬到真实生活中 从左到右 依次是赤崎勇 天野浩 中村修二 2014年凭借 发明高亮度蓝色发光二极管 带来了节能明亮的白色光源 天野浩与赤崎勇 中村修二共同获得诺贝尔物理学奖 目前 实现白光LED的方法主要有三种 1 多芯片LED技术 蓝色LED 绿色LED 红色LED 2 蓝光LED 荧光粉技术 利用蓝光LED芯片激发黄色荧光粉 红色荧光粉 绿色荧光粉 合成白光 3 UVLED 荧光粉技术 用紫外LED芯片激发三基色荧光粉合成白光 通常制作蓝色LED的材料 SiC ZnSe GaNSiC器件首先实现商品化 但由于SiC是间接跃迁型半导体 因此 提高其发光效率的潜力不大 ZnSe基材料也有制成蓝绿色LED的报道 然而可靠性不高 因为ZnSe材料只能300 或更低的温度下生长 否则可能破裂 所以不能采用高温退火 同时 电极与ZnSe基材料之间制作成欧姆接触也较困难 因而正向压降甚高 GaN基材料是直接跃迁型 可以期望制作出高效率发光器件 GaN的带隙为3 4eV 由GaN与InN 带隙2 0eV 或A1N 带隙6 3eV 组成的化合物 其带隙值可在2 0 6 3eV之间调节 即GaN基LED能发