LED的基本知识和工艺基础知识

学习好资料欢迎下载学习好资料欢迎下载学习好资料欢迎下载LED的基本知识和工艺基础知识1.LED概述LEDLightEmitDiod发光二极管，简称LED；LED是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，可以直接把电转化为光。LED心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，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，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。光的波长也就是光的颜色，由形成P-N结的资料决定的一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。由于具有容易控制、低压直流驱动、组合后色彩表现丰富、使用寿命长等优点，广泛应用于城市各工程中、大屏幕显示系统。LED可以作为显示屏，计算机控制下，显示色彩变化万千的视频和图片。1.1LED产业链LED产业是一个技术导向型的产业，其产业链通常定义为上游外延片生长、中游芯片制造和下游芯片封装测试及应用3个环节。从上游到下游行业，进入门槛逐步降低，其中LED产业链上游外延生长技术含量最高，资本投入密度最大，是国际竞争最激烈、经营风险最大的领域。LED产业链利润分配比例大致为：外延片与芯片制造约占行业70%的利润，被欧美日等少数几家公司垄断；LED封装约占10%～20%，应用设计约占10%～20%。图1反映了产业链上各环节的利润分配状况。1.2LED外延片工艺流程近十几年来，为了开发蓝色高亮度发光二极管，世界各地相关研究的人员无不全力投入。而商业化的产品如蓝光及绿光发光二级管LED及激光二级管LD应用无不说明了IIIV族元素所蕴藏的潜能。目前商品化LED之材料及其外延技术中，红色及绿色发光二极管之外延技术大多为液相外延成长法为主，而黄色、橙色发光二极管目前仍以气相外延生长法成长磷砷化镓GaAsP资料为主。一般来说，GaN生长须要很高的温度来打断NH3之N-H键解，另外一方面由动力学仿真也得知NH3和MOGa会进行反应发生没有挥发性的副产物。LED外延片工艺流程如下：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（光荧光、X射线）-外延片外延片-设计、加工掩模版-光刻-离子刻蚀-N型电极（镀膜、退火、刻蚀）-P型电极（镀膜、退火、刻蚀）-划片-芯片分检、分级1.3LED晶片的作用LED晶片为LED主要原材料，LED主要依靠晶片来发光。1.4LED晶片的组成主要有砷(AS铝(AL镓(Ga铟(IN磷(P氮(N锶(Ｓi这几种元素中的若干种组成。1.5LED晶片的分类（1）按发光亮度分：A）一般亮度：R﹑H﹑G﹑Y﹑E等B）高亮度：VG﹑VY﹑SR等C）超高亮度：UG﹑UY﹑UR﹑UYS﹑URF﹑UE等D）不可见光(红外线)R﹑SIR﹑VIR﹑HIRE）红外线接收管：PTF）光电管：PD（2）按组成元素分：A）二元晶片(磷﹑镓)H﹑G等B）三元晶片（磷﹑镓﹑砷）SR﹑HR﹑UR等C）四元晶片(磷﹑铝﹑镓﹑铟)SRF﹑HRF﹑URF﹑VY﹑HY﹑UY﹑UYS﹑UE﹑HEUG1.6LED晶片特性表1.7其它（1）LED晶片厂商名称：A光磊（EDB国联（FPDC鼎元（TKD华上（AOCE汉光（HLFAXTG广稼。（2）LED晶片在生产使用过程中需注意静电防护。2.LED的各类应用LED的应用主要可分为三大类：LCD屏背光、LED照明、LED显示。1、小尺寸1.5寸到3.5寸LCD屏的背光：例如手机、PDA、MP3/4等便携设备的LCD屏都需要LED来背光。2、7寸LCD屏的背光（如数码相框）：3、大尺寸LCD屏的背光（如LCDTV/Monitor、笔记本电脑）：目前大部分LCDTV/Monitor、笔记本电脑的LCD屏是采用的CCFL荧光灯管做背光，因CCFL寿命、环保等不利原因目前正朝向采用LED背光发展。按LCD屏的尺寸大小一般需要数十个到上百个白光LED做背光，而其LED驱动IC市场潜力将会很大。4、LED手电筒：小功率LED手电筒、强光LED手电筒、LED矿灯。5、LED草地灯：6、LED照明：照明经过白炽灯、日光灯，到现在比较普遍的节能灯，再下个阶段应该就是LED照明灯的普及了，这里需要超高亮度的LED，超长寿命、极低功耗将是LED灯很大的优势，同时成本考量也是一个关键。7、LED显示：我们在公交车、地铁里都能看到各样的LED字幕显示屏，并且在户外也有不少大屏幕LED点阵显示屏幕，从远处看就是一个比较清晰的超大屏幕电视机。这里需要用到专用的LED显示控制芯片。3.LED显示屏常用术语解释LED显示屏（LEDpanel）它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。LED显示屏分为图文显示屏和视频显示屏，均由LED矩阵块组成。图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。它的优点：亮度高、工作电压低、功耗小、微型化、易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长、耐冲击、性能稳定。2.1LED亮度发光二极管的亮度一般用发光强度(LuminousIntensity)表示,单位是坎德拉cd；1000ucd（微坎德拉）=1mcd（毫坎德拉）,1000mcd=1cd。室内用单只LED的光强一般为500ucd-50mcd，而户外用单只LED的光强一般应为100mcd-1000mcd，甚至1000mcd以上。2.2LED象素模块LED排列成矩阵或笔段，预制成标准大小的模块。室内显示屏常用的有8*8象素模块、8字7段数码模块。户外显示屏象素模块有4*4、8*8、8*16象素等规格。户外显示屏用的象素模块因为其每一象素由两只以上LED管束组成，固又称其为集管束模块。2.3象素(Pixel)与象素直径LED显示屏中每一个可被单独控制的LED发光单元(点)称为象素(或象元)。象素直径∮是指每一象素的直径，单位是毫米。对于室内显示屏，一般一个为单个LED，外形为圆形。室内显示屏象素直径校常见的有∮3.0、∮3.75、∮5.0、∮8.0等，其中以∮3.75和∮5.0最多。在户外环境，为提高亮度，增加视距，一个象素含有两只以上集束LED；由于两只以上集束LED一般不为圆形，固户外显示屏象素直径一般用两两象素平均间距表示：□10、□11.5、□16、□22、□25。2.4点间距、象素密度与信息容量LED显示屏的两两象素的中心距或点间距(DotPitch)；单位面积内象素的数量称为象素密度；单位面积内所含显示内容的数量称为信息容量。这三者本质是描述同一概念：点间距是从两两象素间的距离来反映象素密度，点间距和象素密度是显示屏的物理属性；信息容量则是象素密度的信息承载能力的数量单位。点间距越小，象素密度越高，信息容量越多，适合观看的距离越近。点间距越大，象素密度越低，信息容量越少，适合观看的距离越远。2.5分辨率LED显示屏象素的行列数称为LED显示屏的分辨率。分辨率是显示屏的象素总量，它决定了一台显示屏的信息容量。2.6LED显示屏(LEDPanel)将LED象素模块按照实际需要大小拼装排列成矩阵，配以专用显示驱动电路，直流稳压电源，软件，框架以及外装饰等，即构成一台LED显示屏。7、灰度灰度是指象素发光明暗变化的程度，一种基色的灰度一般有8级至1024级。例如，若每种基色的灰度为256级，对于双基色彩色屏，其显示颜色为256×256=64K色，亦称该屏为256色显示屏。8、双基色现今大多数彩色LED显示屏是双基色彩色屏，即每一个象素有两个LED管芯：一为红光管芯，一为绿光管芯。红光管芯亮时该象素为红色，绿光管芯亮时该象素为绿色，红绿两管芯同时亮时则该象素为黄色。其中红，绿称为基色。9、全彩色红绿双基色再加上蓝基色，三种基色就构成全彩色。由于构成全彩色的蓝色管和纯绿色管芯较贵，故目前全彩色屏相对较少。1、色温色温究竞是指什么?我们知道，通常人眼所见到的光线，是由光的三原色（红绿蓝）组成的7种色光的光谱所组成。色温就是专门用来量度光线的颜色成分的。用以计算光线颜色成分的方法，是19世纪末由英国物理学家洛德•凯尔文所创立的，他制定出了一整套色温计算法，而其具体界定的标准是基于以一黑体辐射器所发出来的波长。凯尔文认为，假定某一纯黑物体，能够将落在其上的所有热量吸收，而没有损失，同时又能够将热量生成的能量全部以“光”的形式释放出来的话，它便会因受到热力的高低而变成不同的颜色。例如，当黑体受到的热力相当于500—550℃时，就会变成暗红色，达到1050一1150℃时，就变成黄色……因而，光源的颜色成分是与该黑体所受的热力温度相对应的。只不过色温是用凯尔文(°K、也就是绝对温度)的色温单位来表示，而不是用摄氏温度（颜色实际上是一种心理物理上的作用。所有颜色印象的产生，是由于时断时续的光谱在眼睛上的反应，所以色温只是用来表示颜色的视觉印象。摄影人都知道：有光才有色，没有光就没有色。彩色胶片的设计，一般是根据能够真实地记录出某一特定色温的光源照明来进行的，分为5500°K日光型、3200°K灯光型等多种。因而，摄影家必须懂得采用与光源色温相同的彩色胶卷，才会得到准确的色彩再现。如果光源的色温与胶卷的色温互相不平衡，就不会对色彩进行准确的还原。这时，我们就要靠滤光镜来提升或降低光源的色温，使曝光条件与胶卷拟定的色温相匹配，才会有准确的色彩再现。而数码照相机、摄像机等要求进行白平衡调整，实际上也就是对数码机器进行拍摄环境的基础色温定位。目的是同样的：为了色彩的准确再现。如何准确地进行色温定位？这就需要使用到“色温计”啦。一般情况下，正午10点至下午2点，晴朗无云的天空，在没有太阳直射光的情况下，标准日光大约在5200~5500°K。新闻摄影灯的色温在3200°K；一般钨丝灯、照相馆拍摄黑白照片使用的钨丝灯以及一般的普通灯泡光的色温大约在2800°K；由于色温偏低，所以在这种情况下拍摄的照片扩印出来以后会感到色彩偏黄色。而一般日光灯的色温在7200~8500°K左右，所以在日光灯下拍摄的相片会偏青色。这都是因为拍摄环境的色温与拍摄机器设定的色温不对造成的。一般在扩印机上可以进行调整。但如果拍摄现场有日光灯也有钨丝灯的情况，我们成为混合光源，这种片子很难进行调整。综上所述，拍摄期间对色温的考量、设定以及调整就显得非常重要。无论你是使用传统相机还是数码相机以及摄像机。都必须重视色温！2、光谱光谱是复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案。光波是由原子内部运动的电子产生的．各种物质的原子内部电子的运动情况不同，所以它们发射的光波也不同．研究不同物质的发光和吸收光的情况，有重要的理论和实际意义，已成为一门专门的学科——光谱学．下面简单介绍一些关于光谱的知识．分光镜观察光谱要用分光镜，这里我们先讲一下分光镜的构造原理．图6-18是分光镜的构造原理示意图．它是由平行光管A、三棱镜P和望远镜筒B组成的．平行光管A的前方有一个宽度可以调节的狭缝S，它位于透镜L1的焦平面①处。从狭缝射入的光线经透镜L1折射后，变成平行光线射到三棱镜P上。不同颜色的光经过三棱镜沿不同的折射方向射出，并在透镜L2后方的焦平面MN上分别会聚成不同颜色的像（谱线）。通过望远镜筒B的目镜L3，就看到了放大的光谱像．如果在MN那里放上照相底片，就可以摄下光谱的像。具有这种装置的光谱仪器叫做摄谱仪。发射光谱物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。发射光谱有两种类型：连续光谱和明线光谱．连续分布的包含有从红光到紫光各种色光的光谱叫做连续光谱（彩图6）。炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱。例如电灯丝发出的光、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱。只含有一些不连续的亮线的光谱叫做明线光谱（彩图7）。明线光谱中的亮线叫做谱线，各条谱线对应于不同波长的光。稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是明线光谱。明线光谱是由游离状态的原子发射的，所以也叫原子光谱。观察气体的原子光谱，可以使用光谱管（图6-19），它是一支中间比较细的封闭的玻璃管，里面装有低压气体，管的两端有两个电极。把两个电极接到高压电源上，管里稀薄气体发生辉光放电，产生一定颜色的光。观察固态或液态物质的原子光谱，可以把它们放到煤气灯的火焰或电弧中去烧，使它们气化后发光，就可以从分光镜中看到它们的明线光谱．实验证明，原子不同，发射的明线光谱也不同，每种元素的原子都有一定的明线光谱．彩图7就是几种元素的明线光谱。每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光，因此，明线光谱的谱线叫做原子的特征谱线。利用原子的特征谱线可以鉴别物质和研究原子的结构。吸收光谱高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。例如，让弧光灯发出的白光通过温度较低的钠气（在酒精灯的灯心上放一些食盐，食盐受热分解就会产生钠气），然后用分光镜来观察，就会看到在连续光谱的背景中有两条挨得很近的暗线（见彩图8．分光镜的分辨本领不够高时，只能看见一条暗线）。这就是钠原子的吸收光谱．值得注意的是，各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱中的一条明线相对应．这表明，低温气体原子吸收的光，恰好就是这种原子在高温时发出的光．因此，吸收光谱中的谱线（暗线），也是原子的特征谱线，只是通常在吸收光谱中看到的特征谱线比明线光谱中的少．提高ＬＥＤ发光效率的技术：（本段由唐志海友情提供，欢迎大家指教）一、透明衬底技术InGaAlPLED通常是在GaAs衬底上外延生长InGaAlP发光区GaP窗口区制备而成。与InGaAlP相比，GaAs材料具有小得多的禁带宽度，因此，当短波长的光从发光区与窗口表面射入GaAs衬底时，将被悉数吸收，成为器件出光效率不高的主要原因。在衬底与限制层之间生长一个布喇格反射区，能将垂直射向衬底的光反射回发光区或窗口，部分改善了器件的出光特性。一个更为有效的方法是先去除GaAs衬底，代之于全透明的GaP晶体。由于芯片内除去了衬底吸收区，使量子效率从4％提升到了25-30％。为进一步减小电极区的吸收，有人将这种透明衬底型的InGaAlP器件制作成截角倒锥体的外形，使量子效率有了更大的提高。二、金属膜反射技术透明衬底制程首先起源于美国的HP、Lumileds等公司，金属膜反射法主要有日本、台湾厂商进行了大量的研究与发展。这种制程不但回避了透明衬底专利，而且，更利于规模生产。其效果可以说与透明衬底法具有异曲同工之妙。该制程通常谓之MB制程，首先去除GaAs衬底，然后在其表面与Si基底表面同时蒸镀Al质金属膜，然后在一定的温度与压力下熔接在一起。如此，从发光层照射到基板的光线被Al质金属膜层反射至芯片表面，从而使器件的发光效率提高2.5倍以上。三、表面微结构技术表面微结构制程是提高器件出光效率的又一个有效技术，该技术的基本要点是在芯片表面刻蚀大量尺寸为光波长量级的小结构，每个结构呈截角四面体状，如此不但扩展了出光面积，而且改变了光在芯片表面处的折射方向，从而使透光效率明显提高。测量指出，对于窗口层厚度为20µm的器件，出光效率可增长30％。当窗口层厚度减至10µm时，出光效率将有60％的改进。对于585-625nm波长的LED器件，制作纹理结构后，发光效率可达30lm/w，其值已接近透明衬底器件的水平。四、倒装芯片技术通过MOCVD技术在兰宝石衬底上生长GaN基LED结构层，由P/N结发光区发出的光透过上面的P型区射出。由于P型GaN传导性能不佳，为获得良好的电流扩展，需要通过蒸镀技术在P区表面形成一层Ni-Au组成的金属电极层。P区引线通过该层金属薄膜引出。为获得好的电流扩展，Ni-Au金属电极层就不能太薄。为此，器件的发光效率就会受到很大影响，通常要同时兼顾电流扩展与出光效率二个因素。但无论在什么情况下，金属薄膜的存在，总会使透光性能变差。此外，引线焊点的存在也使器件的出光效率受到影响。采用GaNLED倒装芯片的结构可以从根本上消除上面的问题。五、芯片键合技术光电子器件对所需要的材料在性能上有一定的要求，通常都需要有大的带宽差和在材料的折射指数上要有很大的变化。不幸的是，一般没有天然的这种材料。用同质外延生长技术一般都不能形成所需要的带宽差和折射指数差，而用通常的异质外延技术，如在硅片上外延GaAs和InP等，不仅成本较高，而且结合接口的位错密度也非常高，很难形成高质量的光电子集成器件。由于低温键合技术可以大大减少不同材料之间的热失配问题，减少应力和位错，因此能形成高质量的器件。随着对键合机理的逐渐认识和键合制程技术的逐渐成熟，多种不同材料的芯片之间已经能够实现互相键合，从而可能形成一些特殊用途的材料和器件。如在硅片上形成硅化物层再进行键合就可以形成一种新的结构。由于硅化物的电导率很高，因此可以代替双极型器件中的隐埋层，从而减小RC常数。六、激光剥离技术（LLO）激光剥离技术（LLO）是利用激光能量分解GaN/蓝宝石接口处的GaN缓冲层，从而实现LED外延片从蓝宝石衬底分离。技术优点是外延片转移到高热导率的热沉上，能够改善大