LED结构及原理讲述

1、红光LED结构：从上向下看，n型砷化镓基板、n型AlGaAs(大bandgap材料)、p型活跃层（小bandgap材料），即发光层，决定发光波长，1.42eV，850nm附近，红外范围，可以通过调整Al的含量，使之在红光范围发光；化合物半导体中增加Al，会使bandgap变大， p型AlGaAs (大bandgap材料) ，器件为双异质结构，即小 bandganp材料夹在2个大bandgap材料之间；随后是一层cap layer，介电层，电极。此图是长完累晶层后翻过来的结果，原因：基板是GaAs，1.42eV，发红外光，只要波长短于红外的光，它会吸收所有可见光，造成中间发光层发出的光全部被基板

2、吸掉，至少有一半的光被吸掉，所以要翻过来，在基板上挖个洞，形成top-down方式。大部分LED都是面射型。,也是翻过来top-down，InP为基板，1.35eV,也会吸可见光，但图中为红外LED。 如何看出红外：InGaAsP：1.33-1.5eV，发光层是narrow bandgap材料，上下2个InP都是large bandgap材料，标准的双异质结，无需再衬底挖洞，让光出来。,没有翻过来，没有用到异质结构，简单的pn型， GaP:N是发光层，GaP:简介带隙，效率不高，2.26eV，接近绿光。,边射型LED,红光结构，双异质结，发光层为narrow bandgap材料，夹在2个lar

3、ge bandgap材料之间， 边射型发光不会太强，大部分光被基板吸掉。（1980年以前）,高亮度可见光LED,四元化合物半导体 制作方法：n-GaAs做基板，Si较少用，会有晶格不匹配问题；n-AlInP中掺铝，带隙扩大，发光层是MQW结构，p-AlGaP（MgII族），II族元素掺入族元素中，形成p型半导体； 两边为为大bandgap材料，,蓝绿光LED通常用2种基板：蓝宝石（有杂质时呈现蓝色，无杂质时是透明的），其bandgap很大，因此可见光不会被它吸收掉。,制作方法：在外延生长之前，需使用一项非常重要的技术，缓冲层技术（buffer layer），通常要在约500度低温生长，而非10

4、00度以上高温。这一层质量并不好，但作用很重要。再长一层n型GaN，随后是MQW结构做发光层，再长一层p型GaN,再接上电极（contact）， N型电极不能接在下面，必须有两个front contact，原因？,制造过程 结构特点（电极） 好处是什么,不用牺牲一部分发光区域，SiC基板导电。,有什么问题,早期红黄光LED,GaP/AlGaInP/GaAs absorbing substrate：GaAs,5-10um的薄膜,20-50um,光到下面后，会被金属反弹回来,VPE（Vaporous phase epitaxy) 气相外延生长,None absorbing red yellow L

5、ED结构，假设是GaP基板,不加窗口层，直接把p-type contact electrode接在上面,产生问题：接触电极很薄，电流来不及散开，直接向下流,电流不散开，集中在金属电极的下面，电流密度会非常高，致使光电转换效率下降（经验：物理曲线数值增大到一定程度，就会趋缓，达到饱和）。原因:可能是热效应，也可能是其它饱和效应，使光电转换效率开始衰竭。因此，不希望在某个特定区域，电流密度太高。 如果电流无法散开，过于集中在金属电极区域，会使绝大部分的发光也集中在金属电极区域下方，当光打到金属接触区域时，会被挡住，使光线无法散开。 如何使光能够散开？,with window layer,加一层很厚

6、的窗口层，其厚度是发光层厚度的十倍、甚至百倍。因为这一层很厚，电流有足够的机会散开。 散开之后的作用： 1、使各点的电流密度降低，光电转换效率就可以提高； 2、使发光区域变大，被上面金属挡住的区域所占比例就会减小，LED发光效率就会有较大提升。,High Brightness Blue LEDs,蓝宝石基板、低温生长缓冲层（累晶质量不太好）、高品质n-GaN、大bandgap材料、中间夹MQW结构（InGaN是narrow bandgap区域，GaN是large bandgap区域，长5-10个周期）、再长large bandgap p型层。 n-electrode要吃掉一部分累晶层区域，直到

7、n型区域，将n型金属接触做在上面。,此结构遇到一个问题：电流散不开，怎么办？ 电流都集中在p-contact下面，发出的光都在p-contact下面，是否可以加窗口层？,无法加很厚的窗口层。原因：蓝宝石基板和GaN晶格不匹配，在1000度长完晶后，降温过程中，外延层开始弯曲，因此，上面的累晶层不能长太厚，事实上，其总厚度大约在5um以下，蓝宝石的厚度在大约300-400um之间；如果累晶层厚度超过10或20um，冷却后，弯到一定程度，累晶层就会裂开，因此，无法长很厚的GaN 窗口层，要解决此问题，必须想其他办法。 p-contact下面长一层特殊材料：会导电，又能透过可见光。 2种可能选择：

8、A、仍然用金属，只是把金属变得很薄，但金属变薄后，出现新问题，其导电能力会迅速下降，电流散开的能力会随之降低。 B、ITO（透明导电材料）,High Brightness LEDs on CIE Chromaticity Diagram（RGBLED都包括） 高亮度LED在色坐标图中的标准位置,R,G,B三色LED的光谱分布图：红光LED的半高宽，即波长分布最窄；绿光LED半高宽较宽；蓝光LED的半高宽介于二者之间。 因为不是很理想的单一波长的光，因此不会刚好落在色坐标图边缘上。 红光的半高宽小，离边缘近； 绿光偏向中间，525、505、498nm，；另外，设计色坐标时，绿光被刻意拉大也是一个

9、原因；蓝光也比较靠近边缘。 626,615,605,590.为p：最高强度所对应的波长。,LED芯片介绍,1、 LED芯片分类介绍 2、 不同结构LED芯片的性能简介 3、垂直结构LED芯片的制成,Led芯片的结构,LED芯片有两种基本结构，水平结构（Lateral）和垂直结构（Vertical）。横向结构LED芯片的两个电极在LED芯片的同一侧，电流在n-和p-类型限制层中横向流动不等的距离。垂直结构的LED芯片的两个电极分别在LED外延层的两侧，由于图形化电极和全部的p-类型限制层作为第二电极，使得电流几乎全部垂直流过LED外延层，极少横向流动的电流，可以改善平面结构的电流分布问题，提高发

10、光效率，也可以解决P极的遮光问题，提升LED的发光面积。 制造垂直结构LED芯片技术主要有三种方法： 一、采用碳化硅基板生长GaN薄膜，优点是在相同操作电流条件下， 光衰少、寿命长，不足处是硅基板会吸光。 二、利用芯片黏合及剥离技术制造。优点是光衰少、寿命长，不足 处是须对LED表面进行处理以提高发光效率。 三、是采用异质基板如硅基板成长氮化镓LED磊晶层，优点是散热 好、易加工。,目前主流Led结构剖析,两种芯片发光形式,水平型结构Led出光路线,垂直型芯片性能介绍,由于当前芯片主要是垂直型的和水平型的两种。 垂直型产品以CREE芯片为代表特点主要是： 光效高：最高可达 161 lmw，节能

11、； 电压低：蓝光在2.93.3V； 热阻小：芯片本身的热阻小于 1 C/W; 亮度高：由于采用垂直结构，电流垂直流动，电流密度均匀， 耐冲击型强；同一尺寸芯片，发光面宽，亮度高。 光型好：85%以上光从正面发出，易封装，好配光； 唯一的缺点就是：不方便集成封装。若要集成封装，芯片需 做特殊处理。 我公司全部采用垂直结构的芯片。,水平型芯片性能介绍,水平型产品以普瑞芯片为代表，芯片的主要特点是： 光效一般：最高在 100 lmw左右； 电压高：蓝光在3.44V； 热阻高：使用蓝宝石衬底导热性差。芯片本身的热阻在 46 C/W; 亮度一般：由于采用水平结构，电流横向动，电流密度不均，容易局 部烧坏

12、；为弥补这一缺陷，在芯片的上表面做ITO.ITO将以 减少出光为代价。同一尺寸芯片，发光面窄，亮度低。 光利用率低：65%左右的光从正面发出，35%的光从侧面发出，靠反射来 达到出光，利用率低。 唯一的优点就是：便于集成封装。不过，它也是缺点，由于没解决好散 热，所以集成封装只有加速它的衰减，不可取。,垂直芯片的制成,垂直芯片剖析,垂直LED制造的方法,制造垂直结构LED芯片有两种基本方法： 一、剥离生长衬底； 二、不剥离生长衬底 。 其中生长在砷化镓生长衬底上的垂直结构GaP基LED芯片有两种结构： 一、不剥离导电砷化镓生长衬底：在导电砷化镓生长衬底上层 迭导电DBR反射层，生长 GaP 基

13、LED外延层在导电DBR反 射层上。 二、剥离砷化镓生长衬底：层迭反射层在GaP基LED外延层上， 键合导电支持衬底，剥离砷化镓衬底。导电支持衬底包括， 砷化镓衬底，磷化镓衬底，硅衬底，金属及合金等。,四元DBR材料,MQW LED器件结构示意图,左：p-type large bandgap 材料 右：n-type large bandgap 材料,有源层：narrow badgap 材料，通常掺杂浓度很低,电子和空穴分别从左右两端进入有源层，其扩散长度会比有源层厚度（如0.22um）大很多，表示载流子会很均匀地分布在narrow bandgap 材料中； 由于电中性的要求，因此额外的电子和空

14、穴数应该相等（n=p）：通常有源层掺杂浓度很低，相对而言，注入的载流子数目非常多，因此以上等式成立，,量子阱（QW）是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。,多量子阱结构优势：,1、在MQW结构中，电子和空穴的波函数重叠较多，因此其辐射复合的效率较高； 2、在DH结构中， narrow bandgap材料形成的发光区不会长得太窄，否则会使发光区域变小，影响发光效率；也不能长得太宽，否则会超过载流子扩散长度，通常0.5-5um；如果中间的narrow bandgap材料和两边的large bandgap材料晶格不匹配，长晶后，材料会产生很多缺陷，使发光效

15、率下降； 用MQW结构，中间narrow bandgap层可以做的很薄，晶格不匹配的影响很小，不会产生缺陷；如InGaN刚好发出蓝、绿光，两边large bandgap材料用GaN，但它们之间的lattice constant 不匹配，可以使InGaN长得很薄，两边材料长得很厚，材料不会产生松弛、开裂，但发光强度不够，因此采用MQW结构，长很多层。材料间晶格不匹配时，要考虑用MQW结构。,3、利用MQW结构，可以使发出光子的能量有效增加。 当形成QW结构时，能量会被量子化，能够有效提高载流子结合放出的能量。特别地，需要调节bandgap时，经常使用Al，以实现所需色彩，但加Al后材料会趋近或变成间接带隙，发光性能下降。 可以做成MQW结构，利用调变MQW的宽窄，可以调节禁带大小。,4、MQW使有源层变薄，避免了内部的自我吸收。 有源层产生的光子，在发出去之前，在有源层有可能被再吸收掉（发光区是narrowbandgap材料，而局域层是large bandgap），不会被吸上去。有源层变薄后，可以减少光的吸收。 5