《发光二极管》PPT课件.ppt

发光二极管 2 1引言 1 定义 发光二极管 LED 是一种固态发光 是利用半导体或类似结构把电能转换成光能的元件 属于低场下的注入式电致发光 2 特点 B高 室温下 全色LED大屏幕 5000 10000cd m2工作电压低 1 5V 可与Si逻辑电路匹配响应速度快 10 7 10 9s彩色丰富 已研制出红绿蓝和黄橙的LED尺寸小 寿命长 十万小时 视角宽 96年 达80度 97年 达140度 3 缺点 电流较大 对七段式LED数码管 10mA 段功耗大 装配大型矩阵屏时散热问题突出4 简史1923年 由Losev在产生p n结的SiC中发现注入式电致发光60年代末 LED得到迅速发展1964年 Gvimmeiss和Scholz以GaP间接带材料隙得到橙 黄 绿的LED80年代 蓝光的LED研制出来 用宽带隙n型或半绝缘的GaN ZnS或ZnSe上形成肖特基势垒形成 2 2LED的发光机理 PN结断面示意图 Whathappenswhenp type n typesemiconductorsareconnected Holesande smigrateacrossp njunction holes 104V cmelectricfieldatjunctionlimitssizeofdepletionregion 2 2 1LED的物理基础复合理论一 载流子的激发半导体中的发光是原子能态之间辐射跃迁的结果 辐射复合速率是由高能态的电子密度 空着的低能态密度以及这两种能态之间的跃迁几率三者乘积决定的 因为半导体中相邻原子的间隔小 5 它们的轨道电子的波函数相互作用 因此形成允许的能带而不足形成分离的能级 如在孤立的原子中 发光产生与带间的跃迁 因此不是单色的 而是扩展遍及一般为几百 宽的波长间距 半导体中发光是产生浓度超过热平衡值的电子和空穴的复合激发载流子的方式有四种 1 光致发光 是由能量大于半导体能带间隙的入射光吸收产生少数载流子的过程 它在研究半导体材料时常用 2 阴极的射线发光 剩余载流子的产生是由高能电子电离的电子空穴队而来的 每一个入射的电子产生的电子空穴对数目是非常大的 对于一个10kev的电子 其典型数为103 3 放射线发光 由各种高能粒子轰击发光物体产生电子空穴对而引起发光 4 电致发光 它是由于外加电场而产生少数载流子的过程利用这种现象制成的器件有LED LD EL等二 复合过程电子空穴对一旦由上面提到的某种激发过程产生 电子将回到它的较低能量的平衡态并与空穴复合 这种复合能够通过两种途径发生 辐射复合 非辐射复合 辐射复合辐射复合可直接由带间电子和空穴复合产生 也可通过由晶体自身的缺陷掺入的杂质和杂质的聚合物所形成的中间能级来产生 这些缺陷或杂质就叫做发光中心 按电子跃迁的方式可把辐射分成两种带间复合带间复合是指导带中的电子直接与价带中空穴复合 产生的光子能量易接近等于半导体材料的禁带宽度 半导体材料如GaAs Inp等 由于价带极大与导带极小对应于同一位置 零动量位置 这种半导体材料的能带称为直接带隙半导体能带 也即是说 在直接带隙半导体的电子能量E k 与波数K关系曲线中 导带极小与价带极大具有相同的K值 电子与空穴在这种材料中的复合为二体过程 辐射效率不高 如果半导体材料的E k K曲线中 导带极小与价带极大对应于不同的K值 称为间接带隙半导体能带 带间复合必需涉及一个第三者的粒子以保持动量守恒 声子 晶格振动 就是这里的第三者 但是这种三粒子过程中电子 空穴复合的几率比直接带隙材料中小2 3个数量级 Si Ge GaP等都属于间接带隙 这类材料将两种带间复合的能带示于下图 两种带间复合 电子吸收光子的跃迁过程必须满足能量和动量守恒 电子在跃迁过程中波矢保持不变 在波矢k空间必须位于同一垂线上 直接跃迁 直接跃迁和间接跃迁 常见半导体GaAs就属于此类 直接带隙半导体 直接跃迁中吸收系数 和光子能量的关系为 A为一基本常数 间接跃迁 动量不守恒 电子不仅吸收光子 同时还和晶格交换一定的振动能量 即放出或吸收一个声子从而达到动量守恒 光吸收系数 1 103cm 1 比直接跃迁 104 106cm 1 小得多 Si 间接带隙半导体 非间接复合施主和受主杂质不仅决定于材料的导电类型和电阻率 而且当杂质是发光中心时 它们还支配着辐射复合过程 杂质取代晶体内部的基质原子 其位置不规则 因而委形成周期性排列 杂质能级在动量空间扩展开 特别是出现在K 0处 说明杂质能级于半导体的价带顶或导带低具有相同的动量 这说明为何含有杂质能级的跃迁能如此有效 复合的辐射部分可以发生在从导带到受主或从施主到价带 跃迁更经常发生在施主和受主能态之间 因为它们分别单独为电子和空穴提供低能态 在半导体 族化合物如GaP中 选用特定的杂质通常是从 族施主Te Se 和S 以及从 族受主Zn Cd和Mg当中进行挑选 这种半导体材料 GaP 在常温下通过激子 是指电子处于激发状态但不能自由行动 被空穴所产生的库仑场俘获的原子或分子 来进行非间带复合跃迁 如果在 族化合物中选用与基质晶体同样电子结构的元素搀杂 使之置换基质晶体元素的晶格点 由于它与基质晶体元素的电子亲和力不同 而对电子或空穴产生吸引作用 这样的势阱叫做等电子势阱 这种材料是通过等电子势阱来进行带间复合跃迁 如GaP中搀N N置换P 因为N和P为同一族 置换后呈电中性 由于N比P对电子的亲和力大 会俘获电子 其后又以库仑场俘获空穴 因此N也称为等电子受主 对于各种特定的搀杂剂和半导体的组合 最佳的杂质浓度通常是以高效发光为目的的经验来决定 一般情况下 杂质浓度不能太小 因为 注入少数载流子的复合几率直接正比于将要与之复合的多数载流子的浓度 即发光中心浓度 较高的串联电阻是由于低的载流子浓度的缘故 在大电流下 能引起过多的发热和大的电压降 另一方面 杂质浓度不能太大 由于 浓度悴灭 在浓度接近杂质溶解度极限时会引起诸如沉淀和金属络合物等冶金学缺陷 使半导体根本不会发光 因此浓度不能太大 对于所搀施主杂质 浓度范围为1017 1018个cm 3 受主杂质在1018 1019个cm 3 2 非辐射复合电子与空穴的复合为非辐射性时 则不发光 在半导体材料中最主要的非辐射复合过程有两种 通过缺陷或杂质中心的复合内部量子辐射复合就是在那里发生缺陷 以及Fe Cu一类的污染 引起的 深复合中心并跟着发生红外发射或非辐射复合 这是由于杂质在表面处有一能态的连续区 或准连续区 可以把导带和价带连接起来 在表面态处的复合由声子发射耗散掉多余的能量 通过俄歇效应的非辐射复合俄歇电子发射是下图所示的一个过程 M等 L 2 3 L1 EF 2 2 2p n结注入式电致发光机理 结型电致发光 按照半导体材料不同形成的p n结来进行电致发光的情况 可分为两类 同质p n结注入式电致发光异质p n结注入式电致发光 一 同质p n结注入电致发光 Atthejunction freeelectronsfromtheN typematerialfillholesfromtheP typematerial Thiscreatesaninsulatinglayerinthemiddleofthediodecalledthedepletionzone 无外加电压 PN结 PN junction 二 异质p n结注入电致发光能带如图所示 Potential势垒 异质结 Hetero junction 2 3LightEmittingDiode LED 2 3 1结构与材料一 结构采用半导体工艺在衬低上制作p n结 然后制作Al电极 接着在半导体衬低一面蒸镀Au Ge电极 制得芯片 封装芯片 焊到管座上 由超声波焊接或热压焊引出电极 最后涂覆透明的环氧树脂 其形状和折射率对LED发光有很大的影响 PhosphorCoatedLEDs 二 材料LED对材料的要求 Eg较大 因为晶体发光的EmaxEg 1 72ev Eg大 则便于发能量较大的蓝光或绿光纯度高 晶格完整性好 以减小非辐射复合直接带隙的半导体 其跃迁效率高能容易与Al Au等金属形成良好的欧姆接触稳定性好 价格便宜 重要半导体的带隙 对于LED材料的要求体现在LED特性上有二个重要的优质 一是外量子效率 另一个引入亮度B 2 3 2LED的制造工艺结型发光器件工艺和一般半导体器件相似 但由于它是发光器件 因此必须充分注意其电学 光学特性的统一效果 半导体发光材料通常是用外延材料制作的 GaAsP基片是由气相外延制造的 单晶晶片上切割下来的 而GaP和AlGaAs则采用的液相外延技术 相应的器件制作都是采用n型掺杂的材料 用Zn扩散方法 进行局部受主扩散形成p n结 这里以GaAs0 6P0 4LED为例 对制作工艺加以说明 单晶的制作采用水平布里奇曼法 Bridgman 采用保护旋转提拉法 平面结型LED工艺 LED的制作工艺 外延技术 LPE liquidphaseepitaxy VPE vaporphaseepitaxy MBE molecularbeamepitaxy MOCVD metal organicchemicalvapordeposition Liquid PhaseEpitaxy LPE LPEisthesimplesttechniquemechanically Itisanexcellenttechniquefortheproductionoftheverythicklayersusedinsomehigh brightnessLEDstructures MolecularBeamEpitaxy MBE MBEisthemostpowerfultechniquefortheproductionofsuperlatticeandquantum wellstructures MBEcanbeusedforthegrowthofawiderangeofmaterials butanotableshortcomingisthedifficultyexperiencedwiththegrowthofthephosphides OrganometallicVapor PhaseEpitaxy OMVPE OMVPEisthemostversatiletechniquefortheproductionofIII Vmaterialsandstructuresforeletronicandphotonicdevice Itisalsothemostrecenttechniquetobedevolopedfortheproductionofhigh qualityIII Vsemiconductors 台面结型LED工艺 2 3 3LED的特性1 I V特性其正向I V特性与普通二极管大致相同 P NJunction V Icharacteristics Voltage Currentrelationshipforap njunction diode TheIdealDiodeEquation 2 B V特性和B I特性LED的发光亮度B与电压V的关系 用下式表示 LED的B I特性用下式表达 注意 发红光的GaP与上式不同 B呈现饱和 材料中心通过Zn O对进行的 当少数载流子密度达到一定的数值时会使发光中心饱和 而发绿光的GaP中辐射复合时通过浅施主能级进行 即使施主浓度很大也不会出现饱和 3 发光效率 内量子效率 外量子效率由于材料的折射率高 发射和吸收的损失大 辐射复合产生的光子不会全部射出设射出的光子数目NT 注入的电子空穴对G 则 显然 外量子效率小于内量子效率一般 内量子效率可达50 而外量子效率为0 1 12 功率效率对理想的p n结LED V外全部加在p n结上 但在实际上 在电极和LED接触处 LED半导体层本身都有电阻 称为串联电阻Rs 一般直接带隙 族化合物半导体LED中 Rs 1 3欧姆 间接带隙除 族化合物半导体LED Rs 10欧姆 Rs上的压降不影响量子效率 但减小了功率效率 功率效率的可以表示为 提高功率效率 则Rs下降 掺杂浓度升高 单不能太高 因为要影响LED的结晶完整性 一般取1018cm 3为宜 提高LED效率的途径a 选择适当的掺杂浓度在p n结加上正向偏压以后 注入结区的载流子有一部分被晶格缺陷和有害杂质俘获 形成空间非辐射复合 这种复合尽量避免 因俘获中心有限 可加大注入电流使其饱和 扩散电流jd开始起主要作用 在LED中 只有一种扩散电流对发光贡献大 在红光GaP中 主要是jdn在p区的复合 要增加注入效率 就要提高jdn在全部扩散电流中的比例 因为施主杂质浓度 ND 大于受主杂质浓度 NA 要适当提高NA 但是NA和ND不能太高 否则因缺陷过多造成过多的光子吸收 减少电子迁移率和增加空穴向N区注入 这些都会降低注入效率 所以NA ND都有一个最佳值 一般都在1018cm 3这个数量级上 b 选择适当的结深辐射复合发出的光从p n结到达晶体表面之前会受到较大的吸收 为了减小吸收 把结做得薄一些 但是太浅了又会使注入的载流子在体内来不及充分复合就到达电极流走了 因此结深也有一个最佳值 其计算公式 c 改进LED的结构由于 族材料的折射率大 n 3 4 即使垂直入射到空气界面的光也有50 的发射 与界面的法线大于16度 全反射临界角 的光完全发射回器件内部 只有 c立体角内的光才能出射出器件之外 将 c 16 2度代入 得外量子效率约0 03 即到达表面的光只有3 左右可以出射出来 但是由于晶体本身在光的传输过程中还有很强的吸收作用 因而实际的外量子效率比计算值低 用球面发射表面结构这种结构减小了界面发射 但使材料内部光程增大 在增加了吸收 为了提高外量子效率 可采取下列措施 用折射率较大的介质做成圆顶光窗 以增大半导体内的全发射临界角 LED OpticalProperties LightEscapeCone Totalinternalreflectionatthesemiconductorairinterfacereducestheexternalquantumefficiency Theangleoftotalinternalreflectiondefinesthelightescapecone sin c nair nsAreaoftheescapecone 2 r2 1 cos c Pescape Psource 1 cos c 2 c2 4 nair2 ns2 4 LED OpticalProperties EmissionSpectrum Lightintensityinair Lambertianemissionpattern isgivenbyIair Psource 4 r2 X nair2 ns2 cos Indexcontrastbetweenthelightemittingmaterialandthesurroundingregionleadstonon isotropicemissionpattern LED OpticalProperties Epoxyencapsulants Lightextractionefficiencycanbeincreasedbyusingdomeshapedencapsulantswithalargerefractiveindex EfficiencyofatypicalLEDincreasesbyafactorof2 3uponencapsulationwithanepoxyofn 1 5 Thedomeshapeoftheepoxyimpliesthatlightisincidentatanangleof90oattheepoxy airinterface Hencenototalinternalreflection 在p n结背面设置合适的反射面 可以利用正面发出的光 也可以使后面的光得到有效的利用 反射面 电极与p n结的欧姆接触处具有高的吸收系数 应减小接触面积 但会增加串联电阻Rs和降低热导 因而可采用折中的办法 用绝缘层 SiO2 覆盖在二极管表面 同时在其上开一小窗口作欧姆接触 采用此法的红光GaAsP的LED 其吸收系数由700 cm下降到230 cm 相应亮度提高了2 3倍 对于GaAs红外LED 可采用掺硅将其辐射波长向长波长方向偏移以减小吸收损耗选择适当的p n结半导体材料 使发射光谱与视觉曲线有最大的重叠 即使矩形结构的LED 会可采取折射率大 吸收小的透明材料封装LED 可增加出射光 入对于GaAsP的LED用环氧树脂封装 nr 1 55 c 25 5度 出射光增加了1 45倍 用低熔点玻璃封装 nr 2 4 2 6 则外发光效率可提高4 7倍 Highextractionefficiencystructures ShapingoftheLEDdieiscriticaltoimprovetheirefficiency LEDsofvariousshapes hemisphericaldome invertedcone truncatedconesetchavebeendemonstratedtohavebetterextractionefficiencyoverconventionaldesigns Howevercostincreaseswithcomplexity Highextractionefficiencystructures TheTIPLEDemploysadvancedLEDdieshapingtominimizeinternallossmechanisms Theshapeischosentominimizetrappingoflight TIPLEDisahighpowerLED andtheluminousefficiencyexceeds100lm W TIPdevicesaresawnusingbeveleddicingbladetoobtainchipsidewallanglesof35otovertical HighinternalefficiencyLEDdesigns Radiativerecombinationprobabilityneedstobeincreasedandnon radiativerecombinationprobabilityneedstobedecreased Highcarrierconcentrationintheactiveregion achievedthroughdoubleheterostructure DH design improvesradiativerecombination R BnpDHdesignisusedinallhighefficiencydesignstoday Dopingoftheactiveregionsandthatofthecladdingregionsstronglyaffectsinternalefficiency Activeregionshouldnotbeheavilydoped asitcausescarrierspill overintotheconfinementregionsdecreasingtheradiativeefficiencyDopinglevelsof1016 low1017areused ornoneatall P typedopingoftheactiveregionisnormallydoneduetothelargerelectrondiffusionlength Carrierlifetimedependsontheconcentrationofmajoritycarriers Inlowexcitationregime theradiativecarrierlifetimedecreaseswithincreasingfreecarrierconcentration Henceefficiencyincreaseswithdoping Athighconcentration dopantsinducedefectsactingasrecombinationcenters HighinternalefficiencyLEDdesigns P Njunctiondisplacement DisplacementoftheP NjunctioncausessignificantchangeintheinternalquantumefficiencyinDHLEDstructures Dopantscanredistributeduetodiffusion segregationordrift Dopingoftheconfinementregions Resistivityoftheconfinementregionsshouldbelowsothatheatingisminimal Highp typeconc inthecladdingregionkeepselectronsintheactiveregionandpreventsthemfromdiffusingintotheconfinementregion Electronleakageoutoftheactiveregionismoreseverethanholeleakage Nonradiativerecombination Theconcentrationofdefectswhichcausedeeplevelsintheactiveregionshouldbeminimum Alsosurfacerecombinationshouldbeminimized bykeepingallsurfacesseveraldiffusionlengthsawayfromtheactiveregion MesaetchedLEDsandlaserswherethemesaetchexposestheactiveregiontoair havelowinternalefficiencyduetorecombinationatthesurface SurfacerecombinationalsoreduceslifetimeofLEDs Latticematching Carriersrecombinenon radiativelyatmisfitdislocations Densityofmisfitdislocationlinesperunitlengthisproportionaltolatticemismatch HencetheefficiencyofLED sisexpectedtodropasthemismatchincreases 4 温度特性温度上升 亮度下降 温度增加1度 发光效率减小1 当LED消耗功率大 则结温上升 输出亮度下降 所以减小功耗 改良散热条件很重要 Causesincludenon radiativerecombinationviadeeplevels surfacerecombination andcarrierlossoverheterostucturebarriers 5 发射光谱LED的发射光谱由半导体禁带宽度以及杂质浓度决定 描述光谱分布的两个主要参量是峰值波长 max与半高宽 对GaAs1 xPx和Ga1 xAlxAs由于x不同 max 620 680nm 20 30nm 对GaP 红 max 700nm 10nm 对GaP 绿 max 570nm 25nm 器件工作时的温度会影响发射光谱 随着温度升高 变大 max也会发生漂移0 3 o 4nm 度 在光通信中是一个很重要的参量 6 响应时间在快速显示 快速调制时 器件对信息的反应速度 即对启亮和熄灭时间有一定的要求 LED响应时间由以下因素决定 LED的上升 启亮 与I有关 随着I上升 启亮时间近似指数增长 这与发光中心和其它陷阱俘获载流子的情况有关 而LED的衰减与I无关 因为LED是少子注入的正向偏置的p n结的自发辐射 响应时间与少子的寿命 结电容 寄生电容有关 但是主要由寿命决定LED的响应时间很短 主要是由于载流子的直接跃迁复合时间较短 对GaP为100ns GaAsP只有几个ns 7 寿命LED的寿命一般很长 j 1A cm2 寿命为106h 与j有关 近似表示为 影响LED寿命的因素有 表面漏电流的增加象铜之类的沾污物的内扩散在p n结附近形成非辐射复合中心 对于前面两个因素 可采用合适的钝化 封装以及清洗技术予以消除 对于后一个原因可以在制作LED时尽量保证晶格的完整性 降低其缺陷密度 来达到缓解非辐射复合中心产生的速度 但不能完全消除 2 3 4LED显示器件常用材料性能 1 GaAs Eg 1 43ev 直接带隙 max在红外线范围 不能直接用于显示GaAs Si max 940nm GaAs Zn max 900nm近年来研制成功的将稀土荧光粉LaF3 Y Er涂于芯片上 可将红外转移到绿光这是利用多次连续机理原理实现的 选择适当的荧光粉可以得到气体颜色的光 其缺点是 发光不均匀 响应速度慢 2 GaPEg 2 25ev 间接带隙 这类器件有 优点 透光性能好 颜色丰富 掺入不同的杂质 可发红 黄 绿光 缺点 外量子效率低现已采用合成熔融扩散技术和液相外延技术制成高效的绿色GaP的LED 3 GaAs1 xPx由GaAs和GaP混晶制成 x 混晶比Eg随x变化x0 45器件为间接跃迁型掺N的GaAs1 xPx会使发光效率提高 AlGaAs AlGaAswasthefirstmaterialforwhichveryhighbrightnessLEDsweredemonstrated TheAlGaAssystemisnearlylattice matchedtotheGaAssubstratesforallcompositions WhentheAlcontentincreases thebandgapbecomeslargeandindirect WithincreasingAlcomposition thewavelengthwillalsodecrease AlGaInP TheAlGaInPsystemwasidentifiedearlyasoneofthemostpromisingforhigh performanceLEDs AlGaInPhavehighexternalquantumefficiency like20 at630nm 10 at590nm and2 at570nm AlGaInN AlGaInNareverydifferentlyfromtheconventionalIII Vsemiconductors Duetotheyhavelargebondstrengths sotheyrequirehighgrowthtempertures TheycanbegrownonSiCandsapphire butthelatticematchbetweenGaNandSiCismuchbetterthanforsapphire Tungsten 60W RedFiltered Edison sFirstLightBulb Halogen 30W Fluorescent 40W Low PressureSodium 18W YellowFiltered GREEN GaAsP 0 60 4 GaP Zn O GaP Zn O GaP N GREEN AlGaAs GaAs AlGaAs AlGaAs AlGaInP GaAs AlGaInP GaP RED ORANGE YELLOW BLUE SiCBLUE PERFORMANCE LUMENS WATT 100 0 1 10 1 GaAsP GaAsP N RED ORANGE YELLOW RED ORANGE YELLOW InGaN RED RED RED RED 196019701975198019851990199520002005 RED EvolutionoftheVisible SpectrumLight EmittingDiode Courtesyof GreenFiltered InGaN InGaN YELLOW ShapedAlGaInP GaP RED ORANGE YELLOW 2 4LED的应用 LED具有工作电压低 1 3V 电流小 几 几十mA 响应速度快 10 6 10 9s 寿命长 105h B高 可与半导体集成电路匹配 工艺简单 能实现多路驱动等特点 因此可以在以下方面得到很好的应用 一 指示灯普通的钨丝灯耐振动性差 易破碎等问题 LED指示灯不断更新换代 其寿命在数十万小时以上 而且功耗小 发光响应速度快 亮度高 小型耐振动等特点 在各种应用中占有明显的优势 常见的应用 电话 音响制品 家电制品 各种计测仪表以及集中控制盘等许多领域中 有着广泛的应用 LED显示屏的应用领域 证券交易 金融信息显示 机场航班等的动态显示等 White lightLEDs Whitelightcanbegeneratedinseveraldifferentways Onewayistomixtocomplementarycolorsatacertainpowerratio Anotherwayisbytheemissionofthreecolorsatcertainwavelengthsandpowerratio MostwhitelightemittersuseanLEDemittingatshortwavelengthandawavelengthconverter TheconvertermaterialabsorbssomeorallthelightemittedbytheLEDandre emitsatalongerwavelength Twoparametersthatareimportantinthegenerationofwhitelightareluminousefficiencyandcolorrenderingindex Itisshownthatwhitelightsourcesemployingtwomonochromaticcomplementarycolorsresultinhighestpossibleluminousefficiency White lightLEDs Wavelengthconvertermaterialsincludephosphors semiconductorsanddyes Theparametersofinterestareabsorptionwavelength emissionwavelengthandquantumefficiency Theoverallenergyefficiencyisgivenby ext 1 2 Eveniftheexternalquantumefficiencyis1 thereisalwaysanenergylossassociatedwithconversion Commonwavelengthconvertersarephosphors whichconsistofaninorganichostmaterialdopedwithanopticallyactiveelement AcommonhostisY3Al5O12 Theopticallyactivedopantisarareearthelement oxideoranothercompound CommonrareearthelementsusedareCe Nd ErandTh WhiteLEDsbasedonphosphorconverters AblueGaInN GaNLEDandaphosphorwavelengthconvertersuspendedinaepoxyresinmakeawhiteLightLED Thethicknessofthephosphorcontainingepoxyandtheconcentrationofthephosphordeterminetherelativestrengthsofthetwoemissionbands 二 数字 文字显示实现数字