LED

1第六章半导体发光二极管显示发光二极管LED用材料及发光机制制作工艺用途及发展前景26.1发光二极管当在其整流方向施加电压时，有电流注入，电子与空穴复合，其一部分能量变换为光并发射的二极管。由半导体制成，属于固体元件，连续通电时间可达105h以上。LED的发光近于单色。1907年Round首次在碳化硅晶体中发现LED的注入型发光现象。1968年GaAs红色LED灯投入市场。近年绿色、蓝色LED也已实用化。LED主要由于笔画型字符显示，各种数字仪表，家用电器的显示。随着亮度的提高，价格的下降，加之色彩齐全，其主要应用已转向室内和室外大面积多色和彩色显示。Lightemittingdiode,LED3LED的分类按颜色可分为：红、橙、黄、绿、蓝等。其中红、橙、黄、绿为传统色，蓝为新开发的品种。由于三基色红、绿、蓝的存在，根据不同的比例它们可以混合成自然界中所有色彩。故全彩LED可以扩张其应用领域。按发光强度可分为：a.普通亮度LED（发光强度10mcd）；高亮度LED(发光强度在10～100mcd)；超高亮度LED（发光强度100mcd）。按制作材料可分为：GaAs、GaAsP、AlGaInP、GaP、GaAsAlP、GaN等。45半导体发光二极管及其发展历史发光二极管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GaN2006LED显示屏特点鲜艳的颜色动态表现多媒体影像表现重大讯息高效率使用实时显示号外新闻画质清晰。76.2LED工作原理与材料发光二极管是由数层很薄的搀杂半导体材料制成，一层带过量的电子，另一层因缺乏电子而形成带正电的“空穴”，当有电流通过时，电子和空穴相互结合并释放出能量，从而辐射出光。发光来源于电子与空穴复合时放出的能量。多由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs、GaP、GaAsP等半导体制成的，其核心是PN结。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放。这就是P-N结发光的原理。8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）电子由导带向价带跃迁时以光的形式释放能量，大小为禁带宽度Eg，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1.59～3.26eV之间。在此能量范围之内，带隙为直接带的III-V族半导体材料只有GaN等少数材料。解决这个问题的一个办法是利用III-V族的二元化合物组成新的三元或四元III-V族固溶体，通过改变固溶体的组分来改变禁带宽度与带隙类型。由两种III-V族化合物（如GaP和GaAs、GaP和InP）组成三元化合物固溶体，它们也是半导体材料,并且其能带结构、禁带宽度都会随着组分而变化，由一种半导体过渡到另一种半导体。9X的取值三元化合物GaPXAs1-X禁带宽度波长与颜色X=0.2GaAs0.8P0.21.66eVλ=747nm红色X=0.35GaAs0.65P0.351.848eVλ=671nm橙色由此可见，调节X的值就能改变材料的能级结构，即改变LED的发光颜色。此即所谓的能带工程。1011紅光至黃綠光用AlGaInPLED为了让AlGaInPLED薄膜長在GaAs基板上晶格可以匹配，In的含量必須占第III族原子的50%。化學式为(AlxGa1-x)0.5In0.5P发光波長在570nm(黃綠光)与650nm(紅光)之間時，发光效率佳。交通标志灯所使用的紅光及黃光LED基本是AlGaInPLED。12黃綠光至紫外線用InGaNLEDInGaNLED沒有晶格匹配的基板，大部分長在不导電的蓝宝石(Al2O3)基板上。也可采用导电的碳化硅(SiC)，但价格昂貴，较少被业界採用。InGaNLED发光范围能够橫跨整个可見光与紫外线区域，但是黃綠光到紅光(570nm~650nm)這一波段，目前还无法和AlGaInPLED做商业性的競爭。13LED材料的发展历史1965年世界上的第一只商用化LED诞生，用锗制成，单价45美元，为红光LED，发光效率0.1lm/w1968年利用半导体搀杂工艺使GaAsP材料的LED的发光效率达到1lm/w,并且能够发出红光、橙光和黄光1971年出现GaP材料的绿光LED，发光效率也达到1lm/w80年代，重大技术突破，开发出AlGaAs材料的LED，发光效率达到10lm/w1990年到2001年，AlInGaP的高亮度LED成熟，发光效率达到40—50lm/w1990年基于SiC材料的蓝光LED出现，发光效率为0.04lm/w90年代中期出现以蓝宝石为衬底的GaN蓝光LED，到目前仍然为该技术14发光二极管的基本结构L球透镜环氧树脂P层有源层N层发光区(a)正面发光型微透镜P型限制层有源层波导层N型限制层(b)侧面发光型156.3LED制程工艺（红黄光系列）步骤内容前段前段主要是外延片衬底以及外延层的生长中段中段主要包括：研磨、蒸镀、光刻、切割等过程后段后段则是根据不同的需要把做好的LED封装成各种各样的形式LED制程主要可分为三个阶段：前段、中段、后段（也称：上游、中游、下游。专业术语则为：材料生长，芯片制备和器件封装。）16N-GaP-SiAlGaAsGaInP-AlP-GaP-MgAuAuBeAuTiAuAuAuGeNiNi四元系LED芯片的结构，其中：P-GaP-Mg、GaInP-Al、N-GaP-Si、GaAs是前段工序完成后的产品；而上面五层和下面四层则是中段工序要做的工作。目前超高亮度发光二极管红黄光系列用AlGaInP四元系材料是性能最好的，其前段工序的主要核心技术为MOVPE。17上游成品（外延片）研磨（减薄、抛光）正面涂胶保护（P面）化学抛光腐蚀蒸镀（P面）蒸镀（N面）黄光室涂胶去腊清洗、库房去胶清洗清洗清洗涂胶前先涂光阻附着液光罩作业腐蚀金、铍合金蒸镀钛、铝（P面）套刻腐蚀铝、钛切割工序半切显影、定影去胶清洗涂胶去胶清洗客户要求较高的中游成品点测一刀切客户要求不高送各封装厂显影、定影全切18经过封装后的LED196.4LED应用市场及前景发光二极管的寿命一般很长，电流密度小于1A/cm2的情况下，寿命可达1000000小时，即可连续点燃一百多年。这是任何光源均无法与它竞争的。汽车市场：车用市场是ＬＥＤ运用发展最快的市场，主要用于车内的仪表盘、空调、音响等指示灯及内部阅读灯，车外的第三刹车灯、尾灯、转向灯、侧灯等。背光源市场：ＬＥＤ作为背光源已普遍运用于手机、电脑、手持掌上电子产品及汽车、飞机仪表盘等众多领域。特殊环境和军事运用：由于LED光源具有抗震性、耐候性，密封性好，以及热辐射低、体积小、便于携带等特点，可广泛应用于防爆、野外作业、矿山、军事行动等特殊工作场所或恶劣工作环境之中。20交通灯市场：由于红、黄、绿光LED有亮度高、寿命长、省电等优点，在交通信号灯市场的需求大幅增加。厦门市自2000年采用第一座LED交通信号灯后，如今全市100多座交通信号灯已有近70％更换为LED，上海市则明文规定，新上的交通信号灯一律采用LED。户外大屏幕显示：由于高亮度LED能产生红、绿、蓝三原色的光，LED全彩色大屏幕显示屏在金融、证券、交通、机场、邮电等领域备受青睐。近两年，全彩色LED户外显示屏已代替传统的灯箱、霓虹灯、磁翻板等成为主流，尤其是在全球各大型体育场馆几乎已成为标准配备。其它应用：LED还可用于玩具、礼品、手电筒、圣诞灯等轻工产品之中，我国作为全球轻工产品的重要生产基地，对LED有着巨大的市场需求。21部分领域已经应用潜水灯防爆灯高档汽车的照明灯（奔驰、宝马、奥迪A8等汽车）飞机和高档汽车的阅读灯22室外大LED全彩色屏幕23本章完