LED发光原理与芯片制造.ppt

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1、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-Emitting Diode 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。,发光二极管的发展,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

2、、方向性好 单个单元尺寸只有35mm 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, Toyota Gosei（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,

3、*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 Final Test,下游封裝,LED Lamp SMD LED Chip LED IRLED Back Light Light Source,Cluster Lamp Clock Display Dot Matrix 7-Segment Numeric Display 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, Toyota Gosei 美国: Lumileds, Cree

4、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

5、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

6、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。,理论和实践证明，光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽 度g有关， 即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3.261.63eV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。,LED PN结的电性质,发光材料,由图可知，这些材料的发光范围由红光到紫外线。

7、 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-族。,-族及-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,Blue,Green,Yellow,Orange,White,Red,Amber,W = Wh

8、ite (GaN) (x=0.32/y=0.31),B = Blue (InGaN) 470nm,V= Verde-Green (InGaN) 505nm,T= True Green (InGaN) 525nm,P = Pure Green (GaP) 560nm,G = Green (GaP:N) 570nm,Y = Yellow (InGaAlP) 587nm,O = Orange (InGaAlP) 605nm,A = Amber (InGaAlP) 615nm,S = Super-Red (InGaAlP) 630nm,H = Hyper-Red (GaAlAs) 645nm,s,0,

9、0,1,0,2,0,3,0,4,0,5,0,6,0,7,0,8,0,9,0,0,1,0,2,0,3,0,4,0,5,0,6,0,7,0,8,blue,green,red,yellow,white,B = Blue (GaN) 466nm,W = White (InGaN) (x=0.32/y=0.31),Colour triangle,CIE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

10、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: Omnidirectional Reflector）。在同一窗口层厚度时，ODR LED的光取出效率比DBR LED要高很 多。,MQW LED 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

11、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

12、镜的结构,全方向高反射率反光镜LED （ODR: Omnidirectional Reflector）。 同一窗口层厚度时，ODR LED的光 取出效率比DBR LED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LED,LED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,HB LED Chip,Structure of HB LED,Substrate: GaAs, GaP, Sapphire, SiC, Metal Active Layer: QW or DH(AlGaInP or InGaN) DBR(AS only):

13、 AlAs/AlGaAs, AlGaInP/AlInP Cladding: AlGaInP, AlInP, AlGaN Window Layer: InxGaP, GaP, AlGaAs, ITO, TCL,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LED PN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

14、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

15、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。它采用族、族元素的有机化合物 和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-族、-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、族 的有机金

16、属和族比例， 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。黄光作业中若显影不完全及光罩有破洞会在发光区产

17、生残金残铝。化学作用中牵涉到浓度、时间、数量及反应速率等参数，因此对晶粒电极外观会有一致性的问题产生。例如有些电极脚会变细或消失。晶片在制程中，必须使用镊子及花篮、载具等，因此会有晶粒电极刮伤情形发生。经过测试后还进行二刀切割，可能会造成背面崩裂。,LED的测量参数：,评价LED要涉及到很多技术指标（参数）， 其主要的技术指标包括： 输入参数为电量的各项指标，即电学指标； 主要有：正向电压VF，正向电流VI，反向漏电流IR，工作时的耗 散功率PD。在高频电路中，还要考虑：结电容Cj和响应时间。 输出参数为光学的指标，也含光的强弱和波长等各项指标； 代表输入与输出之间电光转换效率的指标；主要有：

18、光功率效 率，流明效率。 与LED器件性能有关的热学指标。主要有：热阻Rth,储存环境温 度与工作温度。 还有其他的如：防静电指标，失效率和寿命等。,LED的封装与应用,芯片制成以后，除了要对LED芯片的两个电极进行焊接，从而引出正负电 极外，同时还要对LED芯片和两个电极进行保护，这就要求封装工艺。 对LED的封装要实现输入电信号、保护芯片正常工作、保证可见光的输出， 其中既有电参数又有光参数的设计及技术要求。 常见的封装方式，包括引脚式封装、平面式封装。比较有名的有： 表面贴片二极管（SMD）和食人鱼封装技术。对大功率LED芯片封装，要求更 复杂。,在各种新兴的应用领域不断涌现的带动下，近

19、些年LED市场规模得到了快 速提升。LED的应用领域已经从最初简单的电器指示灯、LED显示屏，发展到 LED背光源、景观照明、室内装饰灯、汽车照明等其他领域。由于LED具有寿 命长、无污染、功耗低的特点，未来LED还将逐步取代荧光灯、白炽灯，成为 下一代绿色照明光源。,未来展望,随着市场需求的增多， LED芯片产业升级步伐逐渐加快，LED芯 片产品整体走向高端。另一方面，随着 LED封装产业的快速发展， 也为LED芯片提供了广阔的市场需求。不断扩展的市场需求为LED 产业的发展提供了良好的环境。 现在各国都对LED产业的发展也给 予了大力支持。随着相关技术的发展， LED芯片的制造技术也越来 越重要。 有专家预称，在2010年以后LED将代替现有的照明灯泡， LED照 明的取代又称做“爱迪生时代的结束”， LED將是21世紀的明星产业。 我们大家一起努力。,加油，Go Go!,Thank You,