LED材料综合介绍.ppt

1、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（Light Emitting Diode），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

2、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。,

3、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OK 2.外延片生产利

4、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

5、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，

6、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1.72V3.1V，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

7、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

8、。 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1.96.2eV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

9、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

10、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。

11、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

12、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

13、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

14、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,

15、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

16、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

17、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

18、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

19、：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Aalto University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

20、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LE D + 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)UV LED + 荧光粉技术: 用紫外LED芯片激发三基色荧光粉合成白光。,通

21、常制作蓝色LED的材料：SiC, ZnSe, GaN SiC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. 0 eV)或A1N(带隙6.3 eV)组成的化合物，其带隙值可在2.0-6. 3 eV之间调节，即GaN基LED能发射从紫外到绿色范围之间的光。,虽然 III-ni