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1578136571302-1--1-半导体发光二极管基本知识和工艺简介导言自从60年代初期GaAsP红色发光器件小批量出现进而十年后大批量生产以来，发光二极管新材料取得很大进展。最早发展包括用GaAs1-xPx制成的同质结器件，以及GaP掺锌氧对的红色器件，GaAs1-xPx掺氮的红、橙、黄器件，GaP掺氮的黄绿器件等等。到了80年代中期出现了GaAlAs发光二极管，由于GaAlAs材料为直接带材料，且具有高发光效率的双异质结结构，使LED的发展达到一个新的阶段。这些GaAlAs发光材料使LED的发光效率可与白炽灯相媲美，到了1990年，Hewlett-Packard公司和东芝公司分别提出了一种以AlGaIn材料为基础的新型发光二极管。由于AlGaIn在光谱的红到黄绿部分均可得到很高的发光效率，使LED的应用得到大大发展，这些应用包括汽车灯（如尾灯和转弯灯等），户外可变信号，高速公路资料信号，户外大屏幕显示以及交通信号灯。近几年来，由于CaN材料制造技术的迅速进步，使蓝、绿、白LED的产业化成为现实，而且由于芯片亮度的不断提高和价格的不断下降，使得蓝、绿、白LED在显示、照明等领域得到越来越广泛的应用。本课程将介绍LED的基本结构、LED主要的电学、光度学和色度学参数，并简单介绍LED制造主要工艺过程。1.发光二极管（LightEmittingDiode）的基本结构图1是普通LED的基本结构图。它是用银浆把管芯装在引线框架（支架）上，再用金线把管芯的另一侧连接到支架的另一极，然后用环氧树脂封装成型。组成LED的主要材料包括：管芯、粘合剂、金线、支架和环氧树脂。1.1管芯事实上，管芯是一个由化合物半导体组成的PN结。由不同材料制成的管芯可以发出不同的颜色。即使同一种材料，通过改变掺入杂质的种类或浓度，或者改变材料的组份，也可以得到不同的发光颜色。下表是不同颜色的发光二极管所使用的发光材料。图1普通LED基本结构图1578136571302-2--2-EmissionArea0.254×0.254NElectrodePElectrodeGaPPEpiLayerGaPNEpiLayerGaPNSubstrate表1不同颜色的发光二极管所使用的发光材料发光颜色使用材料普通红磷化镓（GaP）高亮度红磷砷镓(GaAsP)超高亮红镓铝砷(GaAlAs)超高亮红镓铟铝磷(AlGaInP)普通绿、黄绿磷化镓（GaP）高亮绿镓铟铝磷(AlGaInP)超高亮绿氮化镓(GaN)普通黄、橙磷砷镓(GaAsP)超高亮黄、橙镓铟铝磷(AlGaInP)蓝氮化镓(GaN)紫氮化镓(GaN)白氮化镓+荧光粉红外砷化镓(GaAs)图2是LED芯片图形。多数管芯正面为P面，连接到电源的正极，背面为N面，连接到电源的负极（(GaAlAs芯片正面为N，背面为P；以蓝宝石衬底的蓝、绿芯片P、N都在正面)。约在管芯2/3高处，是P区和N区的交界处，称PN结。当有电流通过PN结时产生发光，发光颜色取决于芯片材料，而发光强度除了和材料有关外，还和通过PN结电流的大小以及封装形式有关。电流越大，发光强度越高，但当电流达到一定程度时出现光的饱和，这时电流再增加，光强不再增加。1.2粘合剂粘合剂的作用是把管芯粘在支架的反射杯上，一般使用导电银浆作为粘合剂，但对于蓝宝石衬底的芯片，因两个电极都在正面，因此使用绝缘胶作为粘合剂。银浆有单组份和双组份两种，目前使用的银浆大都为单组份银浆，这种银浆必须在低温下保存。粘合剂的性能对制品的可靠性及透光效果有直接影响，因此，必须根据实际情况，选择合适的粘合剂，并注意应在规定的期限内使用。1.3金线金线的作用是把管芯的电极连接到支架上。主要有φ25μm和φ30μm两种规格，一般场合使用φ25μm金线，对于通过电流较大，可靠性要求较高的场合，则使用φ301578136571302-3--3-μm金线。1.4支架支架也即LED的外引线,一般使用基体为铁并镀银的支架，但有时为了提高制品的散热性能，则使用基体为铜的支架，当然，其材料成本也相应增加。1.5环氧树脂LED采用环氧树脂作为封装材料。环氧树脂的性能对LED的光电特性尤其是可靠性有很大影响。它的选择必须充分考虑其可靠性、出光效果、工艺可行性及价格等。目前国内较常用的是台湾产的EP系列环氧树脂，而我公司外加工线则较多使用日本产的502、512、514等树脂。502树脂的流动性较好，但出光效果较差，512树脂的出光效果好，但粘度较高，工艺可行性差，可靠性也较差，514树脂的最大优点是耐热性能好，因此，常用于可靠性要求较高的制品。树脂分为主剂和硬化剂两部分，有的树脂在主剂中加入了颜料，因此得到了各种颜色的主剂，而大多数树脂主剂出厂时是一种淡蓝色的液体，封装时根据需要加入不同颜料，硬化剂是一种无色透明的液体。在树脂中加入适量的散射剂可以提高发光的均匀性，增大散射角，但同时法向发光强度降低。2.LED的主要技术参数2.1电学参数2.1.1正向压降指每个LED通过的正向电流为规定值时，正、负极之间产生的电压降，用符号VF表示。由不同材料制成的LED具有不同的VF值。此外电极材料的选择以及电极制造过程工艺条件的控制也对VF值有着重要影响。组装过程影响VF值的因素主要是银浆的质量。银浆过期变质，使用双组份银浆时搅拌不均匀都可能造成VF值增加。2.1.2反向漏电流是指给LED加上规定的反向电压时，通过LED的电流，用符号IR表示。正常的LED，IR值应接近0。反向漏电流的产生除了和管芯本身的质量有关外，还和组装时管芯安放状态有关。银浆粘污PN结和管芯崩裂是造成漏电的最主要因素。当银浆沾污PN结时，好像有一个电阻并联到结上，形成漏电通路，从而产生漏电。管芯崩裂是因为安放管芯时设备顶针位置调校不当，使管芯受损从而产生漏电，由于管芯崩裂现象镜检时较难发现且由此造成的漏电现象呈不稳定状态，使得在成品检测时易出现漏判，成为影响产品质量的一大隐患。1578136571302-4--4-2.2光度学及光度学参数2.2.1能量的辐射分布光源的总辐射能量是各种波长能量之和，波长不同能量也不同。我们称发光器件的辐射能量随波长而变化的情况为发光器件辐射能量的光谱分布，以Pλ表示。发光器件在λ1和λ2范围内的辐射功率可表示为：Pλ1Pλ2=∫Pλdλ(1)Pλ是一个相对的分布函数。光谱分布的两个主要参数是它的峰值波长和光谱带宽。（1）峰值波长λp峰值波长λp是指光谱强度最大处的波长,它可以由光谱图很容易地确定。图3是CaN绿色LED的光谱曲线,由曲线可见,其峰值波长是505nm。（2）半波宽度Δλ0.5半波宽度Δλ0.5由λp两边的两个波长λ0.5-Δλ0.5求得：Δλ0.5=λ0.5-λ0.5(2)图3CaN绿色LED的光谱曲线2.2.2辐射度量及单位辐射度学是有关某一给定辐射体的光辐射能量或功率的,光谱涉及从紫外光到红外光的整个范围,与人眼对亮度和颜色的灵敏度无关。λ1λ2’”’”负责人1578136571302-5--5-基本的辐射度参数有4个：（1）辐射通量或辐射功率辐射功率P定义为一个光源在单位时间内发射的总功率：P=（3）辐射功率的单位为瓦特（W）。（2）辐射强度辐射强度J定义为单位时间、单位立体角内发射的功率：J=（4）J的单位是：瓦/球面度（W/Sr）这里的立体角就是以点光源为顶点的一个封闭锥体的锥角，其大小等于锥体底面积A与锥体的斜边边长r的平方成之比，即：dω=（5）（3）辐射照度落在单位面积上通量的数值，称为辐射照度H。H=(6)dp是落在元表面上的通量值。辐射照度H用瓦/平方米（W/m2）作单位。由以上公式可推得某一点光源的辐射强度J和辐射照度之间的关系：H===J/r2(7)(4)辐射亮度考虑辐射源上表面dσ，以此为顶点的立体角内dω内的辐射通量为dp，dω的轴线v与dA的法线n成θ角，如图（4）所示。dp与dω及dσ在v方向的有效截面积dσcosθ有关，即：dp=Rθdσcosθdω（8）或：Rθ=（9）图4dQedtdPdωdσr2dσdPdPdσJdωdσdpdσcosθdω1578136571302-6--6-Rθ就称为面辐射源在角θ所决定方向v上的亮度，也就是在给定方向上单位有效截面积在单位立体角内的辐射通量值。Rθ的数值与辐射面的性质有关，并且随给定方向而改变，通常以W/·Sr为单位。2.2.3光度量及单位2.2.3.1视见函数对于可见光的辐射通常采用光度学的量来描述。为此，必须首先了解视见函数。一般发光器件的辐射都不是单色光，各有一定宽度的光谱分布曲线，人眼对各种波长的辐射的灵敏度是不同的，它不能感觉到红外线和紫外线，只能感受从380～760nm范围的可见光，而且在可见光中对各种波长的光的响应程度也是不同的。我们把人眼响应随波长而变化的函数关系称为视见函数，用V（λ）表示。度量辐射能的各个量是仅与客观条件有关的物理量，但光度学的量不仅与客观条件有关，而且还与人的视见函数有关。在辐射度学中引入的各个量，乘上一个与视觉有关的比例系数——即视见度Kλ，就得到光度学中的各个量。2.2.3.2光度学参数(1)光通量假定某辐射体发出的光线是波长为λ的单色光,该辐射体单位时间内所辐射的能量就是辐射通量Pλ,由该量中能为人眼所感觉的那部分称为光通量Fλ,它表示单位时间内流出光能的大小,单位是流明（lm）。Pλ与Fλ之间的关系可用下式表示：Fλ=KλPλ=V（λ）KmPλ（10）式中，Kλ表示波长为λ的辐射通量每瓦可以产生多少流明的光通量，即同一波长下所测得的光通量与辐射通量之比。Km=680lm/W表示人的日间视觉在550nm处能将1W功率转变成680lm的光能。各波长发出的总光通则为：F=Km∫V（λ）·Pλdλ(11)由它可以计算器件的效率,用以判别发光器件或材料的性能好坏。（2）发光强度一光源在单位立体角内所发出的光通量称为该光源的光强I。I=（12）380nm780nmdFdω1578136571302-7--7-一个点光源所发出的光强是各向相同的，则总光通量F=4πI（13）就是说，一个光源的发光强度I确定后，它的总光输出也就完全确定了，其它的光学结构（如反射腔等）不能使它增大，而只是可以将光从其它方向往某一方向集中，以提高该方向的光强。在芯片法向上的发光强度称为法向光强。发光强度的单位是坎德拉（cd）,一单位立体角内发出一流明的光称为一坎德拉。坎德拉是一个光源在给定方向上的发光强度。（3）半值角在发光强度分布图形中，发光强度等于最大强度一半构成的角度称为半值角。如图5所示。图中，沿LED法向为机械轴方向，最大发光强度方向为光轴方向，机械轴与光轴之间的夹角成为偏差角。芯片的厚度、封装模条的外形尺寸、支架反射杯的深度以及支架在模腔中的插入深度都对半值角的大小有直接影响。制造中，可以根据客户要求，通过选取不同的材料及选用不同的封装尺寸来得到不同大小的半值角。图5LED光强分布图（4）亮度亮度B与辐射亮度类似。发光体之表面dσ在与其法向成θ角的方向上的亮度Bθ等于：Bθ=（14）其中dF为立体角dω的光通量，如图（6）所示。亮度单位cd/m2（尼特），也即每平方米表面沿法线方向产生一坎德拉的光强。（5）照度图6照度E表示被照明物体的单位面积所接受的总光通量，即：E=（15）dFdσcosθdωdFdσθCdσdωdN1578136571302-8--8-照度的单位是勒克斯。1勒克斯为1平方米面积上接受一流明的光通量，即：lm/m2。2.3色度学及色度学参数显示器件的多色化显然可以大大增加显示的信息与功能,要了解和分析发光器件的颜色问题,就必须了解色度学。实验证明，大多数颜色可以由三种基本的颜色以适当的比例合成，这三种基本的颜色可以任意选定，但它们之间是互相独立的，即其中的一种不能由另外二种以适当的比例合并而成，一般选择红、绿、蓝三种颜色为三个基色，这就是所谓的三基色原理。根据三基色原理，任意颜色C可表示成：C=XR+YG+ZB（16）X、Y、Z就是某一颜色