光电子技术-chap2-激光及半导体光源-半导体光源

第2章激光&半导体光源Laser&SemiconductorLightSourceEmail:[e-mail]:29667536半导体光源-LED基础知识什么叫LED，其基本特性和应用有哪些？LEDLED（LightingEmittingDiode）即发光二极管，是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出能量而引起光子发射，产生发光。LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。发光原理λ≈1240/Eg（mm）半导体PN结都可以发光么？硅和锗？LED颜色与材料0.00.10.20.30.40.51.41.61.82.02.20.90.80.70.6(eV)Alxλ(μm)直接带隙间接带隙AlxGa1-xAs(T=300K)=hc/Eg合金比率与发光波长的关系存在的问题：1.增益区太厚(1~10μm)，很难把载流子约束在相对小的区域，无法形成较高的载流子密度2.无法对产生的光进行有效约束两边采用相同的半导体材料进行不同的掺杂构成的pn结特点：-同质结两边具有相同的带隙结构和光学性能-pn结区的完全由载流子的扩散形成pn同质pn结异质结0.3μm不连续的带隙结构加强对载流子的束缚不连续分布的折射率加强对产生光子的约束双异质结构•面发射发光二极管SELED•边发光发光二极管EELED•超辐射发光二极管SLD优点：LED到光纤的耦合效率高P(θ)=P0cosθ载流子注入25μm5μm面发射LED（SELED）优点：与面发光LED比，光出射方向性好缺点：需要较大的驱动电流、发光功率低载流子注入50~70μm100~150μm30º120º边发光LED（EELED）LED的输出光谱特点：1.自发辐射光-LED谱线较宽2.面发光二极管的谱线要比边发光二极管的宽3.长波长光源谱宽比短光源宽-短波长GaAlAs/GaAs谱宽30~50nm-长波长InGaAsP/InP谱宽60~120nm原理：外加电场实现粒子数反转，大量电子-空穴对复合导致发光LED&LD1.LED是利用注入有源区的载流子自发辐射复合发光2.LD是受激辐射复合发光3.结构上的差别：LD有光学谐振腔，使产生的光子在腔内振荡放大，LED没有谐振腔。4.性能上的差别：LED没有阈值特性,光谱密度比LD高几个数量级,LED输出光功率小,发散角大。一般亮度短波长红外光高亮度长波长红外光可见光不可见光LED波长450~780nm光波长850~1550nm850~950nm950~1550nm目前LED的发展以高亮度白光LED为主流分类照明光源？照明技术：在可见光光谱范围(380nm—780nm)内作为阳光替代品的技术中国使用的电力约1.65万亿度/2002，1.91万亿度/2003，2.19万亿度/2004。其中照明用电约2.6千亿度2020年我国的电力需求为4.6万亿千瓦时，其中年照明用电量约占总发电量的15％，为5.25千亿度三峡装机容量980万千瓦,一年不停机,可发电0.86千亿度照明要使用多少能源？照明要使用多少能源？油灯（1780）化学供能的宽带辐射，效率很低白炽灯（1879）电加热的宽带辐射，效率低荧光灯（1936）电激励的气体窄带发射，效率高固体照明（2020？）电激励的固体窄带发射（SSL）SSL-LEDs;SSL-OLEDs照明技术的发展历史白炽灯:电能先转化为热能,热激励使电子跃迁到高能带,电子返回低能带辐射光子----发光荧光灯:冷光源，是由电能先激励汞蒸汽,汞蒸汽放电产生的紫外线激发荧光粉发光半导体灯原理:电激励使电子跃迁到导带,电子返回价带的辐射光子----发光电光源发光原理LED仅使用传统照明1/10的电力LED是目前照明灯具10倍以上的寿命(10年)白光LED目前已商品化Forbes,Sept.99:“(LEDs)...aninventionthatwillkilloffthelightbulb...”固态照明——照明技术的革命！固态照明——照明技术的革命！LED光源特点LED光源电压光效适用性稳定性响应时间环保LED光源结构LED芯片封装衬底材料生长LED结构MOCVD生长芯片加工芯片切割器件封装LED发光管是怎样练成的？半导体光源--芯片制造1.衬底2.外延3.芯片衬底的概念和作用衬底又称基板，也有称之为支撑衬底。衬底只要是外延层生长的基板，在生产和制作过程中，起到支撑和固定的作用。它与外延层的特性配合要求比较严格，否则会影响到外延层的生长或是芯片的品质。蓝宝石（Al2O3）硅(Si)碳化硅（SiC）常用衬底材料长晶:利用长晶炉生长尺寸大且高品质的单晶蓝宝石晶体定向:确保蓝宝石晶体在掏棒机台上的正确位置,便于掏棒加工掏棒:以特定方式从蓝宝石晶体中掏取出蓝宝石晶棒滚磨:用外圆磨床进行晶棒的外圆磨削,得到精确的外圆尺寸精度品检:确保晶棒品质以及以及掏取后的晶棒尺寸与方位是否合客户规格机械加工晶体蓝宝石晶棒制造工艺流程晶棒定向:在切片机上准确定位蓝宝石晶棒的位置,以便于精准切片加工切片:将蓝宝石晶棒切成薄薄的晶片研磨:去除切片时造成的晶片切割损伤层及改善晶片的平坦度倒角:将晶片边缘修整成圆弧状,改善薄片边缘的机械强度,避免应力集中造成缺陷抛光:改善晶片粗糙度,使其表面达到外延片磊晶级的精度清洗:清除晶片表面的污染物(如:微尘颗粒,金属,有机玷污物等)品检:以高精密检测仪器检验晶片品质(平坦度,表面微尘颗粒等),以合乎客户要求机械加工晶棒衬底片蓝宝石晶棒制造工艺流程1.衬底2.外延3.芯片LED外延生长外延生长是在一块加热至适当温度的衬底基片(主要有蓝宝石、SiC、Si)上，将气态物质InGaAlP有控制的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。LED外延衬底材料选择1.晶格结构匹配2.界面特性好3.化学稳定性好4.热学性能好5.导电性好6.光学性能好7.机械性能好8.价格低廉9.大尺寸LED外延衬底材料选择红黄光LED（1）GaAs衬底（2）GaP衬底蓝绿光LED（1）氮化镓GaN衬底（2）蓝宝石Al2O3衬底（3）SiC衬底（4）Si衬底LED外延衬底材料选择外延生长方法比较MOCVD外延蓝宝石衬底GaN缓冲层N型GaN:Si多量子阱有源区（InGaN/GaN）P型GaN：MgP型InGaN-金属接触层MOCVD生长炉1.衬底2.外延3.芯片LED芯片做透明导电层SubstrateP--GaNN--GaN前工艺UVSubstrateN--GaNP--GaNmaskUVITO做透明导电层SubstrateP--GaNN--GaNITO电极做透明导电层SubstrateP--GaNN--GaNITO电极二氧化硅保护层1-MESA（刻台阶）3-做电极4-做保护层2-做透明导电层（ITO）单颗晶粒前工艺后成品图后工艺切割裂片研磨抛光陶瓷盘晶片背面朝上AA0234YBBT18AA0234YBBT18AA0234YBBT18切割研磨抛光从晶片背面劈裂，劈开后晶粒完全分开研磨是减薄厚度的主要来源，衬底从450um减少至100um抛光可以使背表面更光滑，并且可以减少应力裂片激光切割后的切割线FQC:负责检验各种规格的方片或大圆片的电性和外观，合格后判定等级入库。ORT:抽样进行封装、老化测试。大圆片方片检测入库半导体光源--芯片封装LED封装作用机械保护加强散热光学控制供电管理LED封装工艺流程LED封装形式LED封装形式COB封装白光LED半导体光源--LED灯具配光散热驱动电学光学散热铝基板焊点电介质焊接区散热器芯片连接线模制原料晶粒安装引线脚T结点T焊点T基板T环境RthSBRthBARthJS电子元器件基底技术散热系统半导体光源--LED产业与应用LED产业链LEDLEDLEDLEDLED景观灯饰指示灯汽车光源交通信号灯显示屏幕背光源特殊光源导光方式Backlight支路照明次干路照明主干道和快速路照明高压钠灯LED灯教室布光设计教室布光设计基于物联网的照明系统我们专业可做什么？智能照明系统开发智能控制灯具设计开发组网控制技术监测单元通信单元控制单元物联网控制硬件系统监控软件设计未来的半导体光源--OLEDOLEDOLED（OrganicLightEmittingDisplay）有机发光显示器（OrganicLightEmittingDiodes)有机发光二极管，有机LEDOrganicEL(OrganicElectroluminescence)有机电致发光，有机EL显示照明OLEDOLED属于扩散型面光源，不需要像LED一样通过额外导光系统来获得大面积的白光光源；由于有机发光材料的多样性，OLED照明可根据需要设计所需颜色的光，目前无论是小分子OLED，还是聚合物OLED都已获得了包含白光光谱在内的所有颜色的光；OLED可在多种衬底如玻璃、陶瓷、金属、塑料等材料上制作，可实现弯曲和透明等独特性，这使得设计照明光源时更加自由；采用制作OLED显示的方式制作OLED照明面板，可在照明的同时显示信息；OLED在照明系统中还可被用作可控色，允许使用者根据个人需要调节灯光氛围。OLED作为照明应用的优势