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发光二极管LightEmittingDiodeLED为Lightemittingdiode的缩写，中文名为「发光二极管」，是一种以半导体为发光材料的发光组件。其原理是因半导体中的载子（电子—电洞对）产生复合而放出光子，所以没有灯丝发光有发热、易烧等缺点，其发光波长取决于材料的能隙，可涵盖紫外到红外的波长范围。LED的照明产品就是利用LED作为光源而制造出来的照明器具。LED被称为第四代照明光源或绿色光源，因为其具有节能省电、环保、寿命长、体积小、响应快、抗震动性好等优点，可以广泛应用于各种指示、显示、情境装饰、背光源、普通照明、城市夜景汽车头灯等，尤其在节能省电的问题上，LED是目前取代灯泡的最佳首选。发光二极管发光二极管发展历史LED的历史起源于1907年，当时对于材料的掌握，发光的机制都尚未明确，H.J.Round发现SiC的微晶结构具有发光的能力，随即公开发表在《电子世界》期刊，这是第一颗发光的LED，Round在文中指出第一颗LED是一种萧基特二极管，并非PN接面二极管。1936年，Destriau公开发表ZnS为II-VI半导体材料的LED，此后SiC及II-VI族半导体已是广为人知的发光材料。1952-1953期间，HeinrichWelker第一次展示出使用III-V族半导体做为发光材料，此后III-V族半导体材料引起大量的注意，III-V族半导体材料如GaAs，相继被应用在波长870-980nm的红外光LED及被用来做为Laser的材料。1962年，Holonyak和Bevacqua在应用物理期刊发表了使用GaAsP为发光材料的红光LED，这是第一颗可见光LED，使用气相磊晶法（VPE）在GaAs基板上成长出GaAsP二极管PN接面，其优点为磊晶方法简易及低成本花费，但是由于GaAsP与GaAs并非晶格匹配的材料系统，在GaAsP与GaAs薄膜界面因为晶格不匹配的缘故，造成种种缺陷，导致发光效率不良，估计约为0.11m/W。由于先天上的问题，GaAsP/GaAs系统直到1969年，才由Nuese发现经由磊晶一定厚度GaAsP缓冲层，可以提高其发光效率，此为不匹配材料系统一重要发现，其观念沿用至今。1907年美国Round首次研发出SiCLED（发光二极管），在10V偏压下发现微弱的黄光、绿光与橘光在阴极出现，其中SiC是研磨砂纸上常用的材料。1923年俄国Losseve则将电流注入意外形成的的SiCp-n接面，并使组件发出蓝光。1936年法国Destriau发现了注入电流可以让ZnS粉末发光。1962年任职于美国GE公司N.HolonyakJr.等人制作并发表首颗GaAsP红光LED，但直到1970年LED的发光原理才被进一步了解，1971年夏天美国RCA公司Pankove等人制作出第一个电激发光MIS结构。1990年初期美国Hewlett-Packard公司的Kuo与日本Toshiba公司的Sugawara等人使用AlInGaP材料发展高亮度红光与琥珀色LED。NickHolonyakJr.教授是1954年在美国伊利诺大学（UrbanaChampaign）取得电机工程（EE）博士学位的，年仅26岁时就进入美国当时最重要私人研究机构之一的美国贝尔电话实验室。1957进入GE（美国大厂通用电气公司，GeneralElectricCompany,GE，又称为奇异公司），持续工作到1963年，其间发明了第一个发出红光的半导体雷射，也就是LaserDiode（LD，雷射二极管），是后来许多光盘装置、打印机或复印机装置的关键组件。NickHolonyakJr.在发明了LED后，在1963年离开GE，回到其母校美国伊利诺大学电机工程系担任教授，许多它的学生后来都在美国加州的硅谷成立自己的事业，参与了硅谷带动的科技浪潮。Holonyak教授的许多贡献获得了美国国家科学奖、美国国家技术奖，2004年还获得Lemelson奖，是美国本土奖金金额最高的发明奖项，可说实至名归。因为Holonyak教授对可见光LED和LD的贡献，他被誉称为可见光LED和LD之父。GaP材料的发展历史始于1960年代，1963年Allen及1964年Grimmeiss&Scholz发表了由GaP做为PN接面的LED，其后AT&TBell实验室的RalphLogan等人致力于发展GaP材料系统的LED。GaP材料的LED可以在日光下，发出人眼所能看见的红光，其发光效率较GaAsP系统LED为佳，但由于GaP为非直接能隙的半导体，所以限制住其辐射效率。此外，如果在半导体中掺入杂质例如N，或同时掺杂Zn和O，藉由改变其能隙大小，可以放射出红绿波长区域的光。至1972年，将掺杂应用至GaAsP/GaAs系统，M.GeorgeCraford成功使用N掺杂做出第一颗黄光波段的GaAsP/GaAsLED，除了能有效提升发光效率，更将发光波长区段做一拓展及延伸。随着红光LED的研究与发展，GaAsP系统GaP与GaAs间仍有3%晶格不匹配，所以另一被应用的材料为AlGaAs。Rupprecht和Woodall致力于AlGaAS材料的研究，由于Al容易氧化的特性，所以磊晶方法必须使用液相磊晶而非气相磊晶，Woodall更设计出垂直式的液相磊晶法，结果发现AlGaAs/GaAs的LED比GaAsP/GaAs的LED有较好的发光效率。1980年代，双异质结构被应用在LED磊晶结构上，由于双异质结构增加了局限载子的能力，提升了电子电洞复合放光的机率，所以AlGaAs/AlGaAsLED在红光LED演进的历史中，提升相当高的发光效率。1985年后，日本研究使用AlGaInP系统做为可见光波段雷射的材料，发光层为AlGaInP/GaInP的双异质结构，藉由AlGaInP之间四元材料比例的调配，成功做出625、610、590nm红橘黄波段的LED，另外，相较于用GaAsP做出的LED，AlGaInPLED在高温高湿的环境下，有更长寿命，所以取代GaAsP成为红光主要使用的材料。1990年后由于制程技术的突破与发展，使用芯片接合技术成功将红光LED建立在透光基板GaP上，大大增加了发光效率，此外，更将LED裸晶制成特定形状，提升光萃取效率，增加整体发光效率，至此，红光LED发展已渐趋成熟稳定。LED的发光波长从紫外光到红外光，目前主要的应用市场仍以可见光为主，在材料方面目前则以应用在红光、黄光为主的AlInGaP与应用在绿光、蓝光的AlInGaN可以达到较高的发光效率。蓝光LED的发展历史，则是从1986年Amano等人利用MOCVD磊晶低温AlN缓冲层，成功地成长透明、没有表面崩裂的GaN薄膜。稍后Akasaki等人进一步由X-ray绕射光谱、光激光谱-PL等量测结果，验证了加入低温AlN缓冲层后所磊晶的GaN薄膜，具有完美的晶格排列，此外本质缺陷所形成的施体浓度，也因此减少到1×1015cm-3，电子移动率则提高了一个级次（10倍）以上，而低温缓冲层的加入也改善了GaN薄膜的电特性。1989年使用CP2Mg掺杂源已经可以在低温缓冲层上，成功磊晶出p-GaN薄膜，日本Akasaki研究团队利用低能量电子束照射GaN薄膜，并藉此获得低电阻特性，同时他们也成功地制作出具有p-n接面之蓝光GaNLED。1992年日本Nichia公司（日本日亚化学公司）的ShujiNakamura（中村修二博士），使用热退火技术成功地活化磊晶在低温缓冲层上的GaN薄膜，并在1995年研制出高亮度GaN蓝光与绿光LED。1996年Nakamura又提出利用InGaN蓝光LED（波长460nm~470nm）激发产生铈黄色荧光物质之白光LED。从1993年开始，中村先生展示出第一颗使用InGaN/GaN材料系统的蓝光LED，随后便展开了GaN材料的研究，该材料系统藉由In含量的改变可以控制能隙的大小，发出紫光至绿光波长的光，从第一颗蓝光LED面后，GaN材料被大量研究，往后更是应用在蓝光雷射的制作，于2007年，蓝光LED已经拥有可以超越100lm/W的实验结果，但由于基板的选择，还有许多需要克服的困难，未来当蓝光LED发展成熟，势必使LED有许多广泛的应用与商机。由于中村教授制作出第一颗蓝光LED及蓝光LD，因此他被誉称为蓝光LED与LD之父，他在1999年至美国加州圣塔芭芭拉大学材料系担任教授，并在2006获得芬兰千禧奖。ShujiNakamura（中村修二博士）绿光LED的发光层材料也是使用InGaN/GaN系统，但是由于In在含量过多的情况下，在发光层内相邻层的接面会造成不平整的表面形态变化，造成光输出严重降低，远不如蓝光波长的InGaN/GaNLED，但是lm是一种相关于人眼感受程度的光源单位，由于人眼对于绿光刺激较为敏感，所以在发光效率（lm/W）上绿光LED仍是大于蓝光LED。未来，LED的发展可望运用在一些照明及光源应用，如使用LED作为液晶显示器背光板等等，LED发展尚未达到完全，但许多期望是有机会被实现的。半導體原理物質能隙发光二级体概念發光材料*铝砷化镓(AlGaAs)-红色及红外线*铝磷化镓(AlGaP)-绿色*磷化铟镓铝(AlGaInP)-高亮度的橘红色，橙色，黄色，绿色*磷砷化镓(GaAsP)-红色，橘红色，黄色*磷化镓(GaP)-红色，黄色，绿色*氮化镓(GaN)-绿色，翠绿色，蓝色*铟氮化镓(InGaN)-近紫外线，蓝绿色，蓝色发光二极管使用的材料和所它们发光的颜色InxGa1-xNx:0~1GaNBaseLEDMaterialVIII四元LED:Inx(AlyGa1-y)1-xPLED生产流程蓝宝石衬底制作Continuance…PpPpPpPppppH2N2PumpScrubberExhaustNH3SiH4V-ManIII-ManUp-carrierLow-carrierVentTMGTMATMICpMg2ValveCheckvalveMFCPressureregulator反应腔Reactor气体传输系统gasmixingsystem电控系统E-ControlunitCoolingunitHeaterunitTemp.controlunitPressurecontrolunitGlovebox后端管路抽气系统ExhaustsystemFilterButterflyvalveVacuumPumpgassupplypowerControlcomputerPLCSLC…SafetycontrolsystemCoolingsupply气体侦测器MOCVDMetalOrganicChemicalVaporDeposition有机金属化学气相沉积NH3NH3NH3NH3NH3NH+TMG3TMGTMGTMGH/N22H/N22Verticalturbodisc(Emcore)Verticalclose-spaced(ThomasSwan)VerticalQuartzTwo-Flow(Nichia)TMGTMGHorizontalQuartzPlanetary(Aixtron)A)B)C)D)E)F)ReactorDesignMOCVD厂家VerticalReactorTurboDiskHorizontalReactorPlanetDiskVerticalReactorCloseShowerHead22做透明导电层SubstrateP--GaNN--GaN前工艺UVSubstrateN--GaNP--GaNmaskUVITO做透明导电层SubstrateP--GaNN--GaNITO电极做透明导电层SubstrateP--GaNN--GaNITO电极二氧化硅保护层1-MESA（刻台阶）3-做电极4-做保护层2-做透明导电层（ITO）GaNLEDChipProcess23后工艺切割裂片研磨抛光陶瓷盘芯片背面朝上AA0234YBBT18AA0234YBBT18AA0234YBBT18切割研磨抛光从芯片背面劈裂，劈开后晶粒完全分开研磨是减薄厚度的主要来源，衬底从450um减