LED原理培训教程.ppt

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1、发光二极管简介,第一章：LED原理简介,发光二极管特性,发光二极管简称LED(Light Emitting Diode)LED优点重量轻,体积小寿命比灯泡长十倍以上耗电量比灯泡低1/3以上点灯速度快色彩鲜明,辨识性优耐震动,半导体概述,导电性介于导体与绝缘体之间电阻因温度或掺质浓度而改变半导体以自由电子或空穴为导电载子P型半导体以空穴导电N型半导体以自由电子导电例如Si,Ge等材料,半导体原子间键结,原子核最外层电子数达到8个时最稳定例如，Si原子最外层有四个电子，当数个Si原子间键结时，则外层达到8个电子而形成稳定状态,化合物半导体,化合物半导体(Compound Semiconductor

2、)由周期表不同族元素形成之化合物 例如：II-VI,III-V及,IV-IV族化合物III-V族化合物：光电半导体业最广泛应用之材料例如：III族元素Al,Ga,In及V族元素N,P,As容易形成 如GaN,GaAs,GaP,InP 等二元化合物三元化合物：由三个元素形成之化合物例如：AlGaAs(III,III,V)及GaAsP(III,V,V)三族及五族总莫耳数比需为1:1AlxGa1-xAs=x AlAs+(1-x)GaAsGaAsYP1-Y=Y GaP+(1-Y)GaAs四元化合物：由四个元素形成之化合物例如：AlGaInP(四元高亮度LED主要发光材质)Al1-X-YGaXInYP=

3、(1-X-Y)AlP+X GaP+YInP,导电载子种类,主要导电载子为电子及空穴半导体因温度(加热)或外加电场(通电)使外层电子脱离原子核束缚电子脱离原子核后，原来的空位则形成空穴,电场,电子,空穴,电子及空穴,电子带负电，空穴带正电电子与空穴移动方向相反,空穴向左 移动,电子向右移动,半导体内有许多电子与空穴移动，电子寻找空穴之位置填补空位,电子位置A,空穴位置B,P型及N型半导体,P型半导体(主要导电载子为空穴)N型半导体(主要导电载子为电子)费米Level：导电载子占住此能阶之机率密度为1/2,导电带,价电带,空穴,电子,费米Level,PN型接合面(PN junction),P型与N

4、型半导体材料接合时，两者费米level会重叠,接合,PN型接合面(PN junction),P型与N型半导体材料接合时，两者费米level会重叠,P型材料,N型材料,PN接合面,费米Level,电子及空穴需越过能障才通过接合面接合面,顺向偏压,顺向偏压为P型材料接正极，N型材料接负极,顺向偏压可降低接合面之能障，使电子及电洞愈容易通过PN接合面,逆向偏压,逆向偏压为P型材料接负极，N型材料接正极,逆向偏压将增加接合面之能障，使电子及电洞愈难通过PN接合面,+,P,N,_,逆向偏压,VR,发光二极管,P型与N型半导体材料接合时则形成一般的二极管二极管具有单向导电功能通顺向偏压降低接合面能障，可使

5、二极管导电导电时，二极管P侧空穴与N侧电子通过接合面，造成电子与空穴于接合面结合空穴与电子之结合时，会以光或热的形式释出能量以光形式释出能量者称为发光二极管,LED发光原理,电子与空穴之复合能阶之跃迁,直接能隙,间接能隙,颜色区别,波长与颜色的关系光依人眼可察觉程度可区分为可见光：波长介于760nm与380nm不可见光：波长大于760nm或小于380nm波长愈短能量愈高,LED产品应用,三、交通号志,四、白光照明,LED产品类别,外延片(Epi Wafer)GaN(氮化镓)GaAs(砷化镓)GaP(磷化镓)芯片(Chip)传统低亮度黄绿光芯片(GaP)四元高亮度红光芯片(AlGaInP)蓝光芯

6、片(GaN)封装传统灯泡(Lamp)表面黏着型(SMD)显示型：如点矩阵型、数字字符型及集束型,上游,中游,下游,LED外延片产品规格,外延片基本结构：外延层材质、厚度及浓度发光材质：GaP,AlGaInP,GaN尺寸：2“,3”颜色：红,黄,黄绿,蓝,绿顺向偏压(Forward Voltage)：_V逆向漏电流：_A 5V亮度(Luminous Intensity)：_mcd 20mA波长(Dominant Wavelength)：_nm半波宽(FWHM)：_nm,波长,强度,LED芯片产品规格,芯片发光材质：GaP,AlGaInP,GaN尺寸晶粒长宽：812 mil晶粒高度：9.511 m

7、il电极垫片大小：3.55 mil颜色：红,黄,黄绿,蓝,绿顺向偏压(Forward Voltage)：_V逆向漏电流：_A 10V亮度(Luminous Intensity)：_mcd 20mA波长(Dominant Wavelength)：_nm,LED产品规格范例,LED外延(上游),外延(Epitaxy)：于单晶基板上沿特定方向成长单 晶晶体，并控制其厚度及掺质浓度垫片(Substrate)：支撑成长之单晶薄膜，厚度约300350m掺质(Doping)：掺入P型(N型)材料改变磊晶层中主要导电载子空穴(电子)浓度发光层(Active layer)：发光区，电子与空穴结合缓冲层(Buff

8、er layer)：缓冲外延层与垫片间因晶格差异而造成缺陷,垫片,缓冲层,N型外延层,P型外延层,发光层,LED外延(上游),P型/N型披覆层(Cladding layer)多重量子阱(MQW)布拉格反射层(DBR,Distributed Bragg Reflector)电流分布层(Current Distribution layer),DBR,MQW,N Cladding Layer,P Cladding Layer,Current Distrib.Layer,Contact,Substrate,LED外延(上游),外延方式液相外延(LPE)有机金属气相外延(MOCVD)分子束外延(MBE)

9、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)亦称MOVPE,OMVPE,OMCVDMOCVD为LED业界主流机台；其优点为外延速度快：45 hr量产能力佳：应用领域广：LED,LD,HBT,LED外延(上游),设备：MOCVD携带气体(Carrier Gas)：H2原料:垫片(Substrate)：GaAs,Sapphire,InP有机金属气体(MO)如TMA,TMG,TMI其它反应气体：NH3氢化物(Hydride)如PH3,AsH3掺质如CP2Mg,DMZn,SiH4外延环境高温(550C1100C),低压(10600 Torr),RF加热,

10、芯片载盘,气体喷嘴,反应腔体,LED芯片(中游),芯片制作电极蒸镀：减少电极(金属)与外延片(半导体)间接触电阻金属垫片Pad：导线连结电极pattern：开口率,使电流扩散切粒：2”外延片约切割成30,000个Chip,H,Bonding Pad,阳极,阴极,金属电极,LED芯片制程(中游),1.下芯片2.芯片研磨3.芯片清洗,N-基板,N,P,4.金铍/金蒸镀(P)5.金-锗蒸镀(N),6.上光阻7.曝光8.显影,9.硬烤10.金蚀刻,11.去光阻12.高温融合13.电阻测试,14.钛/铝前芯片清洗15.钛/铝蒸镀1619.上光阻、曝光、显影及硬烤20.金蚀刻21.去光阻22.低温融合23

11、.电阻测试,欧姆电极制作,24.上光阻,32.崩裂33.分类,Bonding Pad制作,25.曝光,26.显影27.硬烤,28.MESA-蚀刻,29.去光阻30.切割31.点测,MOCVD 机台磊晶制作成LED磊芯片,N-基板,N,P,二、芯片制程,一、外延制程,N-基板,LED封装(下游),封装目的易搬运、持取使用环境抵抗：温度、湿度及震动电性连结光学结合：发光角度热传导,金属导线(金),导线架,导电垫片,银胶,树脂,芯片,第二章：LED结构介绍,Advantage of LP-MOCVD,A great advantage for controlling the gas flow;Pro

12、vides good controllability of thickness and hetero-interface;Easy to realize a multi-wafer reactor and mass production;,Substrate,LT-Buffer,Nitridation:利用高能的N原子改变了substrate的表面能，有利于nucleation；:LT-Buffer:temperature,thickness,growth rate,the duration ramp to HT-GaN,H2 partial pressure；Annealing condit

13、ion；,A.E.Wickenden研究LT-GaN心得,衬底氮化时，温度要高，时间要短；LT-GaN以在较低的/ratio条件下成长为佳，这样可以减少晶核密度，可以得到较大的晶粒；高压可以增加分解小的晶粒，以减少小的晶核而增加大晶核以及降低晶核大小的分布；高压可以增加横向生长，限制突发的晶核形成；,N-GaN Growth,MOCVD GaN生长参数:thermal cleaning temperature,GaN buffer thickness,GaN buffer growthrate,ramping rate to epilayer growth temperature,H2 par

14、tial pressure;N-GaN中施主类型：N空位、氧、硅、锗；un-GaN 798cm2/V 7E16cm-3 Si:GaN 287cm2/V 2.2E18cm-3 Mg:GaN 11cm2/V 8E17cm-3,InGaN MQW外延的困难,生长In基氮化物需要高的氮平衡蒸汽压，以阻止In-N键的分解；GaN/InGaN间的晶格不匹配（临界厚度），对于AlGaN/InGaN 影响更大；InGaN Well&Barrier间界面质量不好控制；高In含量下InGaN薄膜的相分离问题；,MQW辐射复合机制,MQW中In的浓度在空间中发生波动，在能带中形成了深的尖顶或“量子点”，激子对限制于

15、局部最小值，并且在尖点处形成了一个极佳的辐射复合中心；由于MQW中压电场的存在而归因于量子限制Stark效应（QCSE），该压电场起因于InGaN、GaN的晶格不匹配而出现的应变。通过QCSE（量子限制Stark效应）模型，压电场导致了能带的“弯曲”，进而引起了电量的分离以及发射的“红移”，“红移”的幅度由压电场的强度及MQW厚度决定；,影响活性层特性的因素,量子阱数目-由于空穴迁移率很低，则空穴注入不好，并且电子空穴在MQW中分布也不均匀；活性层厚度；压电场效应-压电场会使电子与空穴在空间分开，减少其结合几率；Barrier层的Si-Doping-可以降低压电场的效应，增加量子阱的均匀性；,

16、P-GaN Growth,1.MOCVD外延GaN:Mg时需注意Mg的时间延迟效应，并注意生长速度和温度；2.气压及五三比高可以得到空穴动度及迁移率高的GaN材料；3.Cp2Mg的流量和Mg及空穴浓度有关，但是Mg浓度超过一定限制时，空穴浓度反而下降，而且材料质量变差且有裂纹-高浓度的Mg自己补偿产生深施主能级（因此Mg浓度有一定限制）。,The Activation of p-GaN,LEEBI(low-energy electron-beam irradiation)in N2 ambient;外延后热处理-much simpler,cheaper and reproducible;外延时

17、热处理-外延生长后，降温至退火温度然后将Reactor环境改成N2原位退火；热处理时加UV光照射-光激发电子也可以减少Mg-H的稳定性，有助于降低退火温度；N2环境下生长GaN:Mg；,降低p-GaN接触电阻的方法,用化学溶液处理wafer表面（王水）；金属沉积并且退火（Ni/Au在空气或O2中氧化）；利用p-GaN/AlGaN超晶格，在表面附近形成极化场；利用p-GaN上应变的InGaN接触层，由于tunneling transport的增强会使空穴浓度上升而不需任何化学热处理；,第三章：LED增加亮度的方法,How DBR Can Enhance BrightnessWhy Roughne

18、ss Can increase BrightnessBuried micro reflectorsFlip Chip MethodMicro Disc Interconnect Surface Emitting GaN LEDMethods（in Nan Ya）of Enhance BrightnessOther Famous LED Maker LED StructuresFuture Work(We can invent and get patterns),Why External Efficiency is so Low?,How DBR Can Enhance Brightness,W

19、hy Roughness Can increase Brightness,Intrinsic reflection for Traditional LEDR=（3.5-1/3.5+1）2=0.31=31（Air）R=（3.5-1.5/3.5+1.5）2=0.16=16（Expocy）,Anti-Reflection Coating,Buried micro reflectors,combination of wafer bonding using metal layers and the introduction of buried micro-reflector,advantage：High

20、 Power Drive High External Efficiency Good Heat Transfer Long Life Time disadvantage：Low Throughput Process very difficult,Flip Chip Method,Good current spreading,current spreading&light spreading,Reflecting Backing light,current spreadinglight transmission,Methods（in Nan Ya）of Enhance Brightness,Other Famous LED Maker LED Structures,Wafer Bond,TS Bond Method,LED Growth on GaAs,GaAs Remove,Wafer bonding,N-GaP,LED ChipFabrication,Future Work(We can invent and get patterns),Change UEC Structure,Let GaAs SurfaceRough,then ITO,ChangeToshiba Pattern Structure,