led研究进展

led研究进展半导体光源的物理基础（1）受激吸收E2E1hv（2）自发辐射E2E1hv（3）受激辐射E2E1hvhvhv电子在低能级与高能级之间可以有3种跃迁，下面以E1与E2能级为例进行介绍。在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4…)称为激发态。本征半导体的能带结构在热平衡状态下，电子在能带中的分布不再服从波尔兹曼分布，而是费米分布，能级E被电子占据的几率为:式中，，为玻耳兹曼常数，T为热力学温度，叫做费米能级。KJ/10381.123k1()1FnEEkTfEeFE费米能级并非实在的可由电子占据的能级，而是半导体能带的一个特征参量。它由半导体材料的掺杂浓度和温度决定，反映电子在半导体内能带上的分布情况。对于本征半导体，费米能级在禁带的中间位置，价带能级低于费米能级同时导带能级高于费米能级杂质半导体的费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系半导体中产生光放大的的条件是：在半导体中存在双简并能带,且入射光的频率满足PN结在扩散运动和漂移运动达到平衡时，P区和N区的费米能级达到同一水平gFFEhEE外加电压产生的载流子注入使作用区的导带电子和价带空穴造成复合跃迁，辐射光子,成而产生光，这种过程产生的是非相干光。当在PN结上加正向电压V时，外电场部分抵消自建场的作用，使PN结的势垒下降，N区的费米能级相对于P区升高。此时非平衡状态下形成两个准费米能级，形成双简并能带结构LED发光原理LED（LightEmittingDiode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。LED基本结构1、面发光二极管有源区圆形金属触点SiO2绝缘层SiO2绝缘层金属化层热沉双异质结层衬底限制层接合材料金属化层光纤圆形蚀刻孔图2.1.2-2面发光二极管的结构示意图2、边发光二极管金属化层(用于电接触)SiO2绝缘层双异质结热沉衬底导光层金属化层(用于电接触)条形接触(确定有源区)有源区图2.1.2-3边发光型LED的结构示意图第一个商用二极管产生于1960年。它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。LED结构图如右图所示LED的特性二、光谱特性描述光谱分布的两个主要参量是峰值波长与半强度宽度。其峰值波长由材料的禁带宽度决定。发光二极管发射的是自发辐射光，没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽，短波长LED谱线宽度为30～50nm。长波长LED的谱线宽度为6～120nm。如图2.1.3-1所示。1300波长/nmΔλ=70nm相对光强图2.1.3-1LED光谱U(V)I(mA)一、伏安特性伏安特性即电流电压特性，是发光二极管的基本特性。下图是LED的伏安特性图三、LED的输出光功率特性电流I/mA正面发光侧面发光发射光功率P/mw0100200300400500LED的一般外量子效率小于10%，驱动电流较小时，P-I特性呈线性，I过大时，由于PN结发热产生饱和现象，使P-I特性曲线斜率减小。通常LED的工作电流为50～100mA，输出光功率为几mW。LED历史20世纪50年代，英国科学家在电致发光的实验中使用（半导体）砷化镓发明了第一枚具有现代意义的LED。20世纪60年代末，人们在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一只可见红光的LED。70年代中期，黄光和绿光LED面世。20世纪80年代，高亮LED面世。20世纪90年代，蓝光LED問世，开启了照明和光电显示领域的新境界1997年，白光LED诞生。LED分类LED的特点LED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大。LED的发光颜色非常丰富，通过选用不同的材料，可以实现各种发光颜色。如采用GaP:ZnO或GaAaP材料的红色LED，GaAaP材料的橙色、黄色LED，以及GaN蓝色LED等。而且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。LED的单元体积小。在其他显示器件不能使用的极小的范围内也可使用，再加上低电压、低电流驱动的特点，作为电子仪器设备、家用电器的指示灯、信号灯的使用范围还会进一步扩大。寿命长，基本上不需要维修。可作为地板、马路、广场地面的信号光源，是一个新的应用领域。各国的半导体照明计划2006~2008全球LED应用市场分布08年我国LED应用市场分布2008年LED产品在各主要应用领域销售额分布统计显示:建筑景观为我国LED最大的应用领域,占总市场份额的28%;LED显示屏与家电显示为国内LED第二大应用领域,占总市场份额的27%;手机、电脑笔记本等中小尺寸背光源为第三大应用领域,占总市场份额的22%;交通信号灯、汽车灯、特种照明灯等各类应用占有一定市场份额.照明过去:LED照明应用在过去以建筑景观用照明为主，如庭园路灯、探照灯、阶梯灯、阳台灯等，占2009年整体LED照明市场约43%，但此一领域成长性已趋缓慢未来看好的新兴成长领域1.户外应用:LED路灯(全球路灯装置盏数已达到1.8亿盏,中国2000-2500万盏)2.室内应用:1、零售展示用照明成长最快，未来3年内成长率仍将维持5成以上2、居家照明:未来LED取得成功的关键显示LED显示屏作为一种新兴的显示媒体，随着大规模集成电路和计算机技术的高速发展，得到了飞速发展，它与传统的显示媒体相比较，以其亮度高、动态影像显示效果好、故障低、能耗少、使用寿命长、显示内容多样、显示方式丰富、性能价格比高等优势，已广泛应用于各行各业。当前LED研究热点发光效率：发光效率是led的优势的根本，这是发展led技术的关键。散热：LED发光时所产生的热能若无法导出，将会使LED结面温度过高，进而影响产品生命周期、发光效率、稳定性。白光：白光LED是用于照明的市场基础，白光LED的开发成功预示着人类照明光源一次新的变革。发光效率LED的发光效率一般称为外部量子效率，它是LED的内量子效率与提取效率的乘积。内量子效率其实就是其本身的电光转换效率，主要与LED本身的特性如材料的能带、缺陷、杂质、垒晶组成及结构等有关，而提取效率指LED内部产生的光子，经元件本身的吸收、折射、反射后实际在元件外部可量测到的光子数目，主要与元件材料本身的吸收、元件的几何结构、元件、封装材料的折射率差及元件结构的散射特性等有关。目前提高LED发光效率的方法提高内量子效率的方法:1.获得高质量GaN材料的外延技术,目前用于LED的GaN材料主要有蓝宝石衬底、GaN衬底、SiC衬底，而Si衬底的GaN材料尚处于研制阶段。2.采用四组分GaN结构3.在半极性面或非极性砥上制作LED提高提取效率的途径:1.倒装焊技术2.表面粗化技术3.芯片粘合技术、芯片外形技术、微芯片阵列技术散热图一为LED结面温度与发光效率之关系图，当结面温度由25℃上升至100℃时，其发光效率将会衰退20%到75%不等，其中又以黄色光衰退75%最为严重。此外，当LED的操作环境温度愈高，其寿命亦愈低(如图二所示)，当操作温度由63℃升到74℃时，LED平均寿命将会减少3/4。因此，要提升LED的发光效率，LED系统的热散管理与设计便成为了一重要课题，在了解LED散热问题之前，必须先了解其散热途径，进而针对散热瓶颈进行改善。功率型LED的散热研究解决功率型LED散热问题的方法主要有两种：一是提高器件内量子效率，从而提高芯片发光效率，从根本上减少热量的产生；二是改进LED结构及外接热沉，加快内部热量的散发以有效地降低芯片的温度。在封装结构上，采用大面积芯片倒装结构、金属线路板结构、导热槽结构、微流阵列结构等；在材料的选取方面，选择合适的基板材料和粘贴材料，用硅树脂代替环氧树脂。LED封装的微泵浦结构2009年ShengLiu等人通过在散热器上安装一个微泵浦系统来解决LED的散热问题。在封闭系统中，水在微泵浦的作用下进入LED的底板小槽吸热，然后又回到小的水容器中，通过风扇散热。这种微泵浦结构(如下图所示)可以将外部热阻降为0.192K／W。白光彩色LED虽已成功用于各种显示和指示器件，然而对于照明则是无能为力的，因为照明光源必须有很好的显色性，所以照明用LED必须发白光。1998年白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。这种通过蓝光LED得到白光的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多。当前白光LED进展白光LED问世近10年来在工艺、材料等方面确实取得了很大进展，其单粒功率、光效均已取得巨大突破，最突出代表之一是超薄型GaNLED。当前白光LED取得的主要进展为：1、改进半导体材料纯度和掺杂工艺．以提高载流子密度和内量子效率。2、采用超薄结构，其活性层仅为数纳米，从而减少内量子吸收，加大了量子输出。3、在P-N结底部涂以高反射率膜层使内向辐射的光量子反射以加大量子输出。4、输出窗内表面粗糙化，从而减少南外辐射的光量子在输出窗内表面处反射回到LED中的几率。5、采用高热导绝缘陶瓷作基底材料，和大辐射散热面以改善P-N结散热条件，降低结温度。6、开发近紫外LED及高效、耐高温i基色荧光粉以提高运转温度和光转换效率、显色性并延长寿命。7、寻找耐高温半导体材料LED的大功率化。8、无荧光粉LED研制。在采取诸多有效措施后目前白光LED的实验室水平已达130～150lm/w，光效单粒功率可达10W。InGaN/GaN多量子阱双波长近白光LEDInGaN/GaN多量子阱双波长近白光LED。这种白光LED是在同一块蓝宝石衬底上生长多量子阱结构来得到白光，具体结构如右上图。由于其结构类似pnpn闸流晶体管，并且展现出了高阻抗低电流的关闭状态和低阻抗高电流的开启状态，因此，该芯片的面积是一般LED芯片面积的6倍。这样一来，LED的驱动电流也就相应变大。在低于200mA的驱动电流下。可以得到这种近白光，其输出功率、发光效率和色温分别达到了4.2mW、81lm/W和9000K.为了摆脱荧光粉对白光LED的技术桎梏。提高发光二极管的光子利用率．许多研究人员探索了各种技术方法来实现不需要荧光粉转换类型的白光LED。