LED发光原理与芯片制造

LED的發光原理與芯片製造報告者：……LED的发展，特别是芯片的发展LED芯片的结构与发光原理LED芯片的制造过程LED的封装与应用未来的展望报告的主要内容：发光二极管Light-EmittingDiode是由数层很薄的掺杂半导体材料制成。当通过正向电流时，n区电子获得能量越过PN结的禁带与p区的空穴复合以光的形式释放出能量。发光效率lm/w12.555发光二极管的发展年代发光颜色材料发光效率lm/w1965红Ge0.11968橙、黄GaAsP11971绿GaP180年代红AlGaAs1090年代初红、黄GaAlInP10090年代蓝、绿GaInN5090年代蓝GaN200LED的发展，芯片的发展可见光LED的发展史发光效率高，节省能源耗电量为同等亮度白炽灯的10%-20%，荧光灯的1/2。绿色环保冷光源，不易破碎，没有电磁干扰，产生废物少寿命长寿命可达10万小时固体光源、体积小、重量轻、方向性好单个单元尺寸只有3~5mm响应速度快，并可以耐各种恶劣条件低电压、小电流LED的优点發光二極體產業結構相關廠商•Substrate•LPE•VPE•MOVPE•單晶材料--GaAs,GaP•磊晶片--GaAs,AlGaAs,GaAsP,AlGaInP•製造設備--LPE,VPE,MOVPE日本:Nichia,ToyotaGosei（丰田合成）美国:Lumileds,Cree欧洲:Osram台湾:晶元,元砷,廣鎵,華上…大陆:三安,聯創,路明,..上游材料•Diffusion•Photolithography•Metallization•Dicing*發光二極體晶粒*光二極體晶粒*光電晶體晶粒中游製程晶粒•Die-Mount•Wire-Bond•Encap•FinalTest下游封裝•LEDLamp•SMDLED•ChipLED•IRLED•BackLight•LightSource•ClusterLamp•ClockDisplay•DotMatrix•7-Segment•NumericDisplay•Photocoupler產品光寶億光興華今台佰鴻先益光鼎李洲立基琭旦华郎伊莱三永茂纶……日本:Nichia,ToyotaGosei美国:Lumileds,Cree欧洲:Osram台湾:晶元,光磊,元砷,廣鎵,華上,燦圓,…大陆:三安,聯創,路明,..能源问题已成为当今人类社会的热门话题，节约能源与环保问题日趋提上议程。节能应成为各国的城市照明建设需要考虑的重要问题之一，目前约有21%的电源用于照明，如果能在固体照明领域节省一半的能源，则会对人类的节约能源作出巨大的贡献。20世纪中叶出现在市场上的第一批LED产品，经过50多年的发展历程，在技术上已经取得了长足的进步。现在，LED的平均发光效率已达到了70lm/W（流明/瓦特），其光强已达到了烛光级，辐射光的颜色形成了包含白光的多元化色彩，并且寿命可达到数万小时。特别是在最近几年，LED的产品质量提高了近10倍，而制造成本已下降到早期的十分之一。这种趋势还在进一步的发展之中，从而使LED成为信息光电子新兴产业中极具影响力的新产品。世界各个国家均积极参与研发工作。光子与电子基本上具有三种交互方式：吸收，自发放射及激发放射。原子的两能级E1和E2，E1代表基态，E2代表第一激发态。在E1基态的原子吸收光子后跃迁至激发态E2，此能态的改变为吸收；激发态原子非常不稳定，经过很短的时间，不需任何外力下会跳回基态而释放出光子，此程序为自发放射；当光子照射在激发态原子上，该原子被激发跃回基态而放出与照射原子同相释放光子，此程序称为激发放射。LED芯片的发光原理LED在内部结构上有和半导体二极管相似的P区和N区，相交界面形成PN结。LED的电流大小是由加在二极管两端的电压大小来控制的。LED是利用正向偏置PN结中电子与空穴的辐射复合发光的，是自发辐射发光，发射的是非相干光。P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP-GaAs光输出双异质结半导体发光二极管的结构示意图反型异质结同型异质结理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即λ≈1240/Eg（mm）式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管。LEDPN结的电性质一般短波長紅外光高亮度長波長紅外光可見光不可見光LED波長450~780nm光波長850~1550nm850~950nm发光材料由图可知，这些材料的发光范围由红光到紫外线。照明领域使用的LED有两大类，一类是磷化铝、磷化镓和磷化铟的合金（AlGaInP或AlInGaP），可以做成红色、橙色和黄色的LED；另一类是氮化铟和氮化镓的合金（InGaN）,可以做成绿色、蓝色和白色的LED。发光材料大部分是Ⅲ-Ⅴ族。Ⅲ-Ⅴ族及Ⅱ-Ⅵ族元素的带隙与晶格常数的关系图（a）是直接带隙材料，包括GaN-InN-AlN、GaAs、InP、InAs及GaAs等图（b）是间接带隙材料，包括Si、Ge、AlAs及AlSb等目前发光二极管用的都是直接带隙的材料。(a)直接带隙(b)间接带隙BlueGreenYellowOrangeWhiteRedAmberW=White(GaN)(x=0.32/y=0.31)B=Blue(InGaN)470nmV=Verde-Green(InGaN)505nmT=TrueGreen(InGaN)525nmP=PureGreen(GaP)560nmG=Green(GaP:N)570nmY=Yellow(InGaAlP)587nmO=Orange(InGaAlP)605nmA=Amber(InGaAlP)615nmS=Super-Red(InGaAlP)630nmH=Hyper-Red(GaAlAs)645nms00,10,20,30,40,50,60,70,80,900,10,20,30,40,50,60,70,8bluegreenredyellowwhiteB=Blue(GaN)466nmW=White(InGaN)(x=0.32/y=0.31)ColourtriangleCIE色度图芯片的结构与发光效率芯片的内部结构：采用量子阱活性层就可以增加发光效率用光子循环的方法增加内部量子效率电流扩散层：降低串联电阻，使加于LED上的电流扩散开电流局限层：使电流流不到在电接触区下的量子阱区，防止只在电极附近发光。透明衬低或反射镜：分布式布拉格反射镜（DBR）芯片的外部结构：半圆形球面：一般的平面LED光因临界角被限制不易射出，所以采用半圆形球面，使光不受临界角的限制射出。表面织状结构或粗糙面：增加光输出几何形状改变的结构：增加光输出衬低上有高反射镜：全方向高反射率反光镜LED（ODR:OmnidirectionalReflector）。在同一窗口层厚度时，ODRLED的光取出效率比DBRLED要高很多。MQWLED结构图当LED的发光区厚度d小于电子或者空穴之物质波长l时，能带开始不再是连续，而形成量化的能级，可提高电子和空穴结合机会，提高量子效率。而且能级量化，能隙变大，发光波长往短波长移动，发光时接近间接能隙而降低量子效率的困扰。台湾工研院光电所用ITO层制作的微电流散布层厚的窗口层可以增加电流的均匀分布，但厚的窗口层不易制作而且价格昂贵。增加一层电流扩散层，可降低串联电阻，使加于LED上的电流扩散开，提高发光效率。以前很多采用Ni/Au层的，现在主要使用ITO层。东芝公司用N局限层在P电接触区减少不发光区电流的分布以增加效率一般电流局限层（CBL）都是间接做在P极下，CBL层很多用SiO2做成，其目的是使电流流不到在电接触区下的量子阱区，防止只在电极附近发光。半圆形球面封装LED多方向高反射率反射镜LED结构多方向高反射率反射镜的结构全方向高反射率反光镜LED（ODR:OmnidirectionalReflector）。同一窗口层厚度时，ODRLED的光取出效率比DBRLED要高很多。在金属与半导体之间有SiO2加上许多小杆壮电接触，全部约占1%截顶金字塔结构LEDLED不同结构不同的光取出日亚公司1993年首创的蓝光LED芯片结构HBLEDChipP-typeGaNLayerTransparentContactlayerTransparentSubstrateBufferlayerGaNlayer(N-cladding)LightEmittingLayersN-contactP-contactStructureofHBLEDSubstrate:GaAs,GaP,Sapphire,SiC,MetalActiveLayer:QWorDH(AlGaInPorInGaN)DBR(ASonly):AlAs/AlGaAs,AlGaInP/AlInPCladding:AlGaInP,AlInP,AlGaNWindowLayer:InxGaP,GaP,AlGaAs,ITO,TCLWindowLayerUpperCladdingLayerSeparateConfiningLayerMultipleQuantumLayersSeparateConfiningLayerLowerCladdingLayerDistributedBraggReflectorBufferLayerSubstrateLED芯片的制造技术首先在衬低上制作各種相關基底的外延片，这个过程主要是在金属有机化学气相沉积外延炉中完成的。准备好制作基底外延片所需的材料源和各种高纯的气体之后，按照工艺的要求就可以逐步把外延片做好。接下来是对LEDPN结的两个电极进行加工，电极加工也是制作LED芯片的关键工序，包括清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨；然后对LED毛片进行划片、测试和分选，就可以得到所需的LED芯片。LED制作流程分为两大部分：制作LED外延片的主要方法：气相外延（VPE）：材料在气相状况下沉积在单晶基片上，这种生长单晶薄膜的方法叫气相外延法，气相外延有开管和闭管两种方式。液相外延（LPE）：将用于外延的材料溶解在溶液中，使达到饱和，然后将单晶基片浸泡在这溶液中，再使溶液达到过饱和，这就导致材料不断地在基片上析出结晶。控制结晶层的厚度得到新的单晶薄膜。分子束外延（MBE）：在超高真空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气，经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当温度的单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。等离子体增强化学气相淀积(PECVD)：是利用高频在两平板电极之间激发气体放电形成等离子体，高化学活性的反应物可使成膜反应在较低温度下进行。金属有机化合物气相外延（MOCVD）：在气相外延生长（VPE）的基础上发展起来的一种新型汽相外延生长技术。它采用Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和Ⅴ族元素的氢化物等作为晶体生长原料，以热分解反应方式在衬底上进行汽相外延，生长各种Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄膜层单晶材料。常用的衬底主要有蓝宝石、碳化硅和硅衬底，还有GaAs、AlN、ZnO等材料。MOCVD通过控制温度、压力、反应物浓度、Ⅲ族的有机金属和Ⅴ族比例，从而控制镀膜成分、晶相等品质。MOCVD外延炉是制作LED外延片最常用的设备。利用熔合设备将蚀刻好的晶片放入该项设备，一段时间，使蒸镀金属层之间或蒸镀金属与磊晶片表层原子相互熔合，目的形成ohmic.contact.利用化学药水，通常是酸性药水，将发光区裸露的金属层蚀刻掉。依晶片的晶粒晶格大小图案，作第一次切割，目的是为方便往后的晶粒点测。如果晶片清洗不够干净，蒸镀系统不正常，会导致蒸镀出来的金属层（指蚀刻后的电极）会有脱落，金属层外观变色，金泡等异常。蒸镀过程中有时需用弹簧夹固定晶片，因此会产生夹痕。黄光作业中若显影