LED-半导体发光显示器件

第2章半导体发光显示器件（LED）发光二级管（LED）显示半导体LED的发光原理LED的特性与发光效率LED制造中的主要工艺技术LED的工艺流程LED的应用及行业分析白色LED照明灯地砖灯手电筒可弯曲橡胶材质上的LED显示方案，其宣称是业界第一个结合高分辨率、全彩影像并具备缩放功能的可弯曲LED显示产品。§1概述（1）什么是LED？发光二级管是一种电光转化器件，具有p-n结结构。在p-n结加正向电压，产生少子注入，少子在传输过程中不断扩散，不断复合而发光。（2）LED的发光特点：LED的发光颜色，与白炽灯等发出的白色光等不同，而是近于单色光，换句话说，其发光的光谱是很窄的。通过选择半导体材料，目前生产的发光二极管可以发射红外、红、橙、黄、绿、蓝等范围相当宽的各种各样的颜色。电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境稳定性：10万小时，光衰为初始的50%响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级.发光二极管(LED)LED的萌芽期LED的注人型发光现象是1907年H.J.Round在碳化硅晶体中发现的。1923年O.W.Lossew在S的点接触部位观测到发光，从而使注人型发光现象得到进一步确认。1952年J.R.Haynes等在锗，硅的P－N结，以及1955年G.A.Wolff在GaP中相继观测到发光现象。发光二极管(LED)的发展历史20世纪60年代可以说是基础技术的确立时期。从1962年Pankove观察到GaAs中P－N结的发光开始，相继发表关于GaAs，GaP，GaAsP，ZnSe等单晶生成技术、注人发光现象的大量论文，1968年GaAsP红色LED灯投人市场，1969年R.H.Saul等人发表GaP红色LED的外部发光效率达7.2％，从此实用化的研究开发加速展开在70～80年代，由于基板单晶生长技术、P－N结形成技术、元件制造、组装自动化等技术的迅速进步。近年来，采用高辉度红色、绿色LED的平面显示元件已广泛用于各种信息显示板。对于最难实现的蓝色LED，采用了SiC，数年前也达到了实用化，已有显示灯产品供应市场发光二极管(LED)的发展历史§2半导体发光原理（LED）有关p-n结的基本知识（1）本征半导体：没有杂质和缺陷的半导体。（导带中电子浓度n0与价带中空穴浓度p0相等）（3）p型半导体：掺入比基体材料低一价的杂质，形成施主能级（电子浓度远小于空穴浓度）。（2）n型半导体：掺入比基体材料高一价的杂质，形成施主能级（电子浓度远大于空穴浓度）。（4）p-n结：p型半导体与n型半导体相接触形成的结构。P-N结发光原理由于少数载流子在电场作用下能量增加，这些载流子在同质结或异质结区的注入与复合而产生的发光叫做结型电致发光（又称注入式电致发光）。概据这种发光现象制成的发光器件称为结型电致发光显示器件。LED是注入式电致发光显示器件的典型。当Ｐ型半导体和Ｎ型半导体结合在一起时，由于交界面处存在载流子浓度的差异，这样电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。扩散到对方的载流子在P区和N区的交界处附近被相互中和掉，使P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这样在两种半导体交界处逐渐形成由正、负离子组成的空间电荷区（耗尽层）。由于P区一侧带负电，N区一侧带正电，所以出现了方向由N区指向P区的内电场外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。注入的少数载流子（少子）与多数载流子（多子）复合时，便将多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加正向电压时的导电情况外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。LED的伏安特性1.01.52.02.5020406080100120I(mA)U(V)开启电压与材料有关，对于GaAs是1.0V；GaAs1-xPx、Ga1-xAlxAs大致是1.5V；发红光的GP是1.8V，发绿光的GaP是2.0V。反向击穿电压一般在-5V以上。电压小于开启点无电流LED的发光效率复合理论导带中的电子与价带中的空穴相复合时，一定要释放出多余的能量。放出能量的方式有两大类:（1）发射光子，成为辐射复合；（2）不发射光子，称为非辐射复合。最后转变为热能或激发别的载流子。（一）辐射复合按电子跃迁的方式可把辐射复合分为直接复合、间接复合。直接复合：电子在导带与价带间直接跃迁而引起非平衡载流子的复合过程，也称为带间复合。为了制取发光效率高的LED，在电子与空穴发生复合放出能量时，除了要考虑复合前后的能量之外，还应保持动量守恒。其能带结构的特点是，在价带顶与导带底不存在动量差，这种半导体发生的复合称为直接跃迁型。直接复合为二体过程，辐射效率高。GaAs,InP属于这种材料。直接复合（跃迁）获得最高发光效率的复合过程是电子与空穴的最初动量相同，因复合而放出的能量全部变成光，而动量却不发生变化，这种情况如图(a)所示。间接复合（跃迁）对应于电子与空穴的初始动量不同的情况，这种初始动量不同的电子、空穴的复合称为间接跃迁型，其能带结构如图(b)所示。为了保持动量守恒，需要热、声等晶格振动参与迁移过程，因此发生复合的几率变得很低。辐射效率低，一般为0.1%，如GaP通过在导带与价带之间加人被称作等电子捕集器(isoelectronictrap)的杂质中心，也可以使像GaP这种间接迁移的情况达到很高的发光效率，如图(c)所示。等电子陷阱的激子复合在光跃迁过程中，被激发到导带中的电子和在价带中的空穴由于库仑相互作用，将形成一个束缚态，称为激子。基质晶体中的原子用同一列的元素置换，由于两者电子亲和力不同，会对电子或空穴产生吸引力，这类势阱叫等电子陷阱。当等电子陷阱俘获了电子或空穴后，变荷电，又会再俘获相反电荷，形成束缚激子。如GaP：N三种发光机制施主受主对复合指施主俘获电子和受主俘获空穴的一种复合，是一种发射光子能量小于带隙的重要机制，那能明显提高间接带隙半导体的发光效率。当受主和施主同时进入晶格格点，形成临近对。也称D-A对。施主及受主的浓度要足够高才能形成对。例红光GaPLED中，同时掺杂入了Zn原子和氧原子，形成D-A对。O深施主能级Zn浅受主能级鎵锌磷氧D-A对3256（二）非辐射复合俄歇复合：电子-空穴对复合时，使另一载流子获得能量而跃迁到更高的能量状态。多发生在载流子浓度很高的情况下。非发光中心复合：发出的光不在测量范围内。多声子跃迁过程：电子-空穴对复合时，多余的能量以多个声子能量放出（变成热量）降低非辐射复合是提高LED发光效率的一个重要方面。在能带结构中，由于导带、价带都为抛物线形状，因此发光谱两端都会有不同程度的加宽现象，其半高宽一般为30～50nm。半高宽度反映谱线的宽窄，即LED单色性的程度半导体材料与发光波长LED的发光源于电子与空穴的复合，其发光波长是由复合前空穴和电子的能量差决定的。对于直接跃迁型材料，晶体发光的波长决定于禁带宽度Eg，发光波长可由关系式λ=1.24eV/Eg求出。可见光：380nmλ760nm1.63eVEg3.26eV例：Si的禁带宽度为1.12eV,不能用蓝光LEDEg2.53eV,需用宽禁带半导体红外LED一般使用直接迁移型材料，如GaAs，GaAlAs，InGaAsP等。但也有用掺杂Si的GaAs制作的LED，通过在比价带高的能量位置形成的所谓受主能级与导带的电子发生复合的机制，其发光波长为940nm，比GaAs禁带宽度对应的发光波长880nm更长些。红色LED的中心材料是以Zn-O对作为发光中心的GaP，Zn-O对在其中起等电子捕集器的作用。GaP为间接跃迁型，在其中导入杂质Zn-O对作为发光中心，已实现较高效率的红色LED，发光波长为700nm，晶体不发生自吸收现象，可以在低电流密度下获得高辉度。蓝色LED需要采用禁带宽度大的材料，已经在研究开发的有SiC，GaN，ZnSe，ZnS等。SiC是容易形成P-N结的材料，属于间接跃迁型，依靠掺入杂质Al和N能级间的跃迁产生发光。GaN，ZnSe，ZnS为直接跃迁型，可获得高辉度发光。这些材料的研究开发近年来获得重大突破，高辉度蓝色LED正在达到实用化。在橙色、黄色LED中，使用的是以N为等电子捕集器的GaAsP；在绿色LED中，使用的是掺杂有高浓度N的间接迁移型GaP。而且，在纯绿色LED中，正在使用不掺入杂质的GaP。电流注入与发光实际LED的基本结构要有一个P-N结。当在P-N结上施加顺向电压，即P型接正，N型接负的电压，会使能垒降低，从而使穿越能垒的电子向P型区扩散，使穿越能垒的空穴向N型区扩散的量增加。通常称此为少数载流子注入，注入的少数载流子与多数载流子发生复合从而放出光。随电压增加，达到一定值，电流急剧增加，光发射开始。电流开始增加时对应的电压相应于P-N结势垒的高度，称该电压为起始电压，起始电压随LED材料及元件的结构不同而不同，GaAs为1.0～1.2V，GaAIAs为1.5～1.7V，GaP为1.8V，SiC为2.5V等等。LED的发光效率与其能量收支相关，其数值可表示为载流子向P-N结的注入效率、载流子变为光的变换效率、产生的光到达晶体外部的光取出效率三者的乘积。LED的发光效率η=ηiηcηeηi载流子向P-N结的注入效率ηc载流子变为光的变换效率ηe产生的光到达晶体外部的光取出效率为获得较高的发光效率，一般要采取各种措施，例如在结构上采取让光通过一般说来吸收介质作率较小的N型半导体，为防止由于晶体表面反射造成的损失，在晶体表面涂覆高折射率的薄膜、折射率较大的为圆顶天窗等等。发光效率、光输出及亮度注入LED的载流子变换为光子的比率称为内部量子效率；而射出晶体之外的光子与注入载流子之比称为外部量子效率。由于在P-N结附近发生的光会受到晶体内部的吸收以及反射而减少，一般说来，外部量子效率要低于内部量子效率。市售LED产品的外部量子效率，红色的大约为15％，从黄色到绿色的则在0.3％～l％范围内，蓝色的大约为3％。发光二极管(LED)本节完发光二级管制造中的主要工艺技术LED需要优质无缺陷的单晶材料。为形成发光中心需要对单晶材料做可控的掺杂。(大单晶切片缺陷量大）外延：指在单晶衬底上生长一层新单晶的技术。新单晶的取向取决于衬底，并由衬底向外延伸而成。故称外延层。外延工艺有气相外延（VPE)、液相外延（LPE)、分子束外延（MBE）和金属有机物气相沉积四种。外延技术（1）液相外延（liquidphaseepitaxy，LPE）法从原理上说是溶液冷却法，即利用溶解度相对于温度的变化，通过饱和溶液的冷却，使过饱和的溶质部分在基板表面析出的方法。在LPE法中，利用源的烘烤，可以获得高纯度的优良单晶，而且生长速率大，现已用于GaP，GaAs，InP系的LED的批量化生产。红、绿色LED用的GaP，红色LED用的GaAIAs，红外LED用的GaAs，长波长LED用的InGaAsP都是通过LPE法制作的。发光二极管(LED)从原理上说是溶液冷却法，即利用溶解度相对于温度的变化，通过饱和溶液的冷却，使过饱和的溶质部分在基板表面析出的方法。发光二极管(LED)缺点：欲生长晶体的晶格常数与衬底的晶格常数偏离不能大于1%；沿生长方向组分不均匀；层厚小于0.06微米时，生长难以控制。（2）气相外延（vaporPhaseepitaxy，VP