平板顯示技術(shù)：第六章 LED

第六章發(fā)光二極管顯示發(fā)光二極管LED用材料及發(fā)光機(jī)制制作工藝1由鳥巢和大屏幕組成的巨大“網(wǎng)幕”成為APEC演出背景，這個(gè)由ＬＥＤ燈搭建的網(wǎng)幕寬度２３２米，上下高度為５５米，共計(jì)面積１２０００多平方米。把鋼網(wǎng)上變壓器和鎮(zhèn)流器都安置在了最下端，保證電流穿過鳥巢結(jié)構(gòu)都是由直流線接駁，確保了鳥巢的安全。2可彎曲LED顯示屏DisplayLEDScreens于2008年展出的產(chǎn)品digiFLEX，是在可彎曲橡膠材質(zhì)上的LED顯示方案，其宣稱是業(yè)界第一個(gè)結(jié)合高分辨率、全彩影像并具備縮放功能的可彎曲LED顯示產(chǎn)品。digiFLEX是將LED模塊建置在可彎曲的PCB上，像素間距10mm、亮度2000cd/m2，每一塊digiFLEX尺寸大小為320mm(w)x160mm(h)，每平方公尺的重量不到6公斤，只有傳統(tǒng)LED顯示屏的10分之1，具備磁性的digiFLEX可輕易安裝在任何彎曲的金屬表面，應(yīng)用層面相當(dāng)廣大。36.1發(fā)光二極管當(dāng)在其整流方向施加電壓時(shí)，有電流注入，電子與空穴復(fù)合，其一部分能量變換為光并發(fā)射的二極管。由半導(dǎo)體制成，屬于固體元件，連續(xù)通電時(shí)間可達(dá)105h以上。LED的發(fā)光近于單色。發(fā)光二極管是一種冷光源，是固態(tài)P-N結(jié)器件，加正向電流時(shí)發(fā)光。利用正向偏置PN結(jié)中電子與空穴的輻射復(fù)合發(fā)光的，是自發(fā)輻射發(fā)光。由于發(fā)光面積小，可以視為點(diǎn)光源。1907年Round首次在碳化硅晶體中發(fā)現(xiàn)LED的注入型發(fā)光現(xiàn)象。1968年GaAs紅色LED燈投入市場。近年綠色、藍(lán)色LED也已實(shí)用化。LED主要由于筆畫型字符顯示，各種數(shù)字儀表，家用電器的顯示。隨著亮度的提高，價(jià)格的下降，加之色彩齊全，其主要應(yīng)用已轉(zhuǎn)向室內(nèi)和室外大面積多色和彩色顯示。Lightemittingdiode,LED4LED的分類按顏色可分為：紅、橙、黃、綠、藍(lán)等。其中紅、橙、黃、綠為傳統(tǒng)色，藍(lán)為新開發(fā)的品種。由于三基色紅、綠、藍(lán)的存在，根據(jù)不同的比例它們可以混合成自然界中所有色彩。故全彩LED可以擴(kuò)張其應(yīng)用領(lǐng)域。按發(fā)光強(qiáng)度可分為：a.普通亮度LED（發(fā)光強(qiáng)度<10mcd）；高亮度LED(發(fā)光強(qiáng)度在10～100mcd)；超高亮度LED（發(fā)光強(qiáng)度>100mcd）。

按制作材料可分為：GaAs、GaAsP、AlGaInP、GaP、GaAsAlP、GaN等。5點(diǎn)式LED字段式LED點(diǎn)陣式LED光柱式LEDLED的類型67LED的發(fā)光顏色8半導(dǎo)體發(fā)光二極管及其發(fā)展歷史發(fā)光二極管Light-EmittingDiode

是由數(shù)層很薄的摻雜半導(dǎo)體材料制成。當(dāng)通過正向電流時(shí)，n區(qū)電子獲得能量越過PN結(jié)的禁帶與p區(qū)的空穴復(fù)合以光的形式釋放出能量。

發(fā)光效率lm/w12.555發(fā)光二極管的發(fā)展年代發(fā)光顏色材料發(fā)光效率lm/w1965紅Ge0.11968橙、黃GaAsP11971綠GaP180年代紅AlGaAs1090年代初紅、黃GaAlInP10090年代藍(lán)、綠GaInN5090年代藍(lán)GaN20091011LED顯示屏特點(diǎn)鮮艷的顏色動(dòng)態(tài)表現(xiàn)多媒體影像表現(xiàn)重大訊息高效率使用實(shí)時(shí)顯示號外新聞畫質(zhì)清晰。12根據(jù)不同環(huán)境，選擇不同LED燈，視角和亮度不同；計(jì)算顯示面和亮度不同。

F---室內(nèi)屏;P---室外屏;S---單色圖文屏;D---雙色屏;V---雙色視頻屏;T---全彩色視頻屏;H---超高亮。按象素直徑分類：一般規(guī)格有Φ3mm、Φ3.75mm、Φ5mmΦ8mm、和Φ10mm等按象素間距不同：（指相鄰象素管中心間距，數(shù)字單位mm）

PH10、PH8、PH16、PH20、PH26LED顯示屏規(guī)格表示方法131）間距計(jì)算方法：每個(gè)像素點(diǎn)到另外一個(gè)像素點(diǎn)之間的距離每個(gè)像素點(diǎn)可以是一顆LED燈[如：PH10(1R)]

兩顆LED燈[如：PH16(2R)]

三顆LED燈[如：PH16(2R1G)]；（人眼對不同光譜敏感強(qiáng)度不同，合成白光GRB強(qiáng)度為6：3：1）

標(biāo)準(zhǔn)象素間距與象素直徑關(guān)系象素間距=象素直徑×1.25

如：Φ3mm點(diǎn)陣，其點(diǎn)間距為3×1.25=3.75（mm）2）長度和高度計(jì)算方法：點(diǎn)間距×點(diǎn)數(shù)=長/高如：PH1616點(diǎn)長度=16點(diǎn)×1.6㎝=25.6㎝LED顯示屏規(guī)格計(jì)算方法14LED顯示屏的分類

一、根據(jù)應(yīng)用場所分類根據(jù)應(yīng)用場所的不同，可將LED顯示屏分為戶內(nèi)、戶外及半戶外三種。151.戶內(nèi)屏在制作工藝上首先是把發(fā)光晶粒做成點(diǎn)陣模塊，再由點(diǎn)陣模塊拼接為一定尺寸的顯示單元板，根據(jù)用戶要求，以單元板為基本單元拼接成用戶所需要的尺寸。戶內(nèi)屏面積一般從不到1平米到十幾平米,點(diǎn)密度較高，

在非陽光直射或燈光照明環(huán)境使用，觀看距離在幾米以外，屏體不具備密封防水能力。162.戶外屏在制作工藝上首先是把發(fā)光晶粒封裝成單個(gè)的發(fā)光二極管，稱之為單燈，一般都采用具有聚光作用的反光杯來提高亮度；再由多只LED單燈封裝成像素模組，而由像素模組組成點(diǎn)陣式的顯示單元箱體。根據(jù)用戶需要及顯示應(yīng)用場所，以一個(gè)顯示單元箱體為基本單元組成所需要的尺寸。箱體在設(shè)計(jì)上需要密封，以達(dá)到防水防霧的目的，使之適應(yīng)室外環(huán)境，一般正面采用灌膠的方式來密封。

173.半戶外屏

半戶外屏介于戶外及戶內(nèi)兩者之間,具有較高的發(fā)光亮度,

可在非陽光直射戶外下使用，屏體有一定的密封，一般在屋檐下或櫥窗內(nèi)。18二、根據(jù)基色分類根據(jù)所采用的LED的顏色，可將LED顯示屏分為單基色、雙基色、三基色（全彩）三種。191.單基色單基色：每個(gè)像素點(diǎn)只有一種顏色，多數(shù)用紅色，因?yàn)榧t色的發(fā)光效率較高，可以獲得較高的亮度，也可以用綠色，還可以是混色，即一部分用紅色，一部分用綠色，一部分用黃色等具有具有亮度等級的單色LED顯示屏稱作灰度屏，富有層次感、更逼真。202.雙基色每個(gè)像素點(diǎn)有紅綠兩種基色，可以疊加出黃色，在有灰度控制的情況下，通過紅綠不同灰度的變化，可以組合出多種灰度顏色。1.雙基色屏,不需要灰度等級。通常采用紅、綠變色發(fā)光二極管作像素。都亮的點(diǎn)即發(fā)出橙光。2.雙基色灰度屏（偽彩色）例如欲形成64種色彩，須紅色、綠色各具有8級灰度形成8×8＝64種顏色21223、三基色（全彩）也稱全彩色，每個(gè)像素點(diǎn)有紅綠藍(lán)三種基色，在有灰度控制的情況下，通過紅綠藍(lán)不同灰度的變化，可以很好地還原自然界的色彩，組合出上萬種顏色。23三、根據(jù)功能分類根據(jù)屏幕所具有的功能，可將LED顯示屏分為條屏，圖文屏，視屏以及數(shù)碼混合屏四種。。

241.條屏系列條屏系列：這類顯示屏主要用于顯示文字，可用遙控器輸入，也可以與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)使用，通過計(jì)算機(jī)發(fā)送信息?？梢悦摍C(jī)工作。因?yàn)檫@類屏幕多做成條形，故稱為條屏。。

252.圖文屏系列這類顯示屏主要用于顯示文字和圖形，一般無灰度控制。它通過與計(jì)算機(jī)通訊輸入信息。與條屏相比，圖文屏的優(yōu)點(diǎn)是顯示的字體字型豐富，并可顯示圖形，與視屏相比，圖文屏最大的優(yōu)點(diǎn)是一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以控制多塊屏，且可以脫機(jī)顯示。

263.視屏系列這類顯示屏屏幕像素與控制計(jì)算機(jī)監(jiān)視器像素點(diǎn)呈一對一的映射關(guān)系，有256級灰度控制，所以其表現(xiàn)力極為豐富，配置多媒體卡，視屏還可以播放視頻信號。視屏開放性好，對操作系統(tǒng)沒有限制，軟件也沒有限制，能實(shí)時(shí)反映計(jì)算機(jī)監(jiān)視器的顯示。。

274、數(shù)碼混合屏系列數(shù)碼屏廣泛用于證券交易所股票行情顯示、銀行匯率、利率顯示、酒店海鮮價(jià)目表、客房價(jià)目表等。多數(shù)情況下，在數(shù)碼屏上加裝條屏來顯示歡迎詞、通知、廣告等。支持遙控器輸入。

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28四、根據(jù)屏顯示面形狀分類除了常見的平面屏以外，還有曲面屏，如弧形屏、球面屏等。

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29LED顯示屏的常規(guī)組裝方式框架結(jié)構(gòu): 在屏幕較小時(shí)，是在工廠組裝成整屏；屏幕較大時(shí)，按單元板發(fā)貨。由工程人員在現(xiàn)場組裝。組裝時(shí)，先將單元板和電源分別固定在板筋背條上，進(jìn)而拼裝成屏體。箱體結(jié)構(gòu)

:箱體與箱體之間采用定位銷定位、鎖緊機(jī)構(gòu)拉緊，都能使安裝更加精密、準(zhǔn)確，

30LED條屏LED條屏由單元板，電源，控制卡，連線構(gòu)成。單元板是LED的顯示核心部件之一，由LED模塊，驅(qū)動(dòng)芯片和PCB電路板組成。LED模塊是由很多個(gè)LED發(fā)光點(diǎn)用樹脂或者塑料封裝起來的點(diǎn)陣。戶內(nèi)條屏常用的單元板規(guī)格有：

參數(shù)：發(fā)光直徑

D=3.75mm;點(diǎn)距4.75mm；64點(diǎn)寬x16點(diǎn)高；單紅/紅綠雙色做一個(gè)128x16點(diǎn)的屏幕，只需要用2個(gè)單元板串接起來。

單元板正反面31全彩屏：顯示箱體+控制系統(tǒng)+計(jì)算機(jī)+通訊網(wǎng)絡(luò)+架體等組成32戶外PH16

LED全彩屏實(shí)例尺寸（W×H）256mm×128mm×20mm點(diǎn)間距（mm）16mm像素點(diǎn)（點(diǎn)數(shù)/m2）3906點(diǎn)數(shù)/m2分辨率（W×H）16點(diǎn)×8點(diǎn)重量（kg/個(gè)）0．653kg/個(gè)256mm20mm128mm單位像素點(diǎn)構(gòu)成33管芯及標(biāo)準(zhǔn)單元箱體參數(shù)

模組尺寸（W×H×H）1024mm×1024mm×180mm60°120°LED波長（Typ）封裝方式視角620-625nmDIP546520-525nmDIP546465-470nmDIP546屏體波長控制在2.5nm之內(nèi)，屏體亮度≥6500cd/㎡1024mm180mm1024mm正面圖34室外模組背面35屏體參數(shù)屏體面積長6.144m×高4.096m=25.16m2單元箱體個(gè)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)箱體長(個(gè))6×高(個(gè))4=(個(gè))24工作中的屏模組拼合箱體拼合366.2LED工作原理與材料發(fā)光二極管是由數(shù)層很薄的摻雜半導(dǎo)體材料制成，一層帶過量的電子，另一層因缺乏電子而形成帶正電的“空穴”，當(dāng)有電流通過時(shí)，電子和空穴相互結(jié)合并釋放出能量，從而輻射出光。發(fā)光來源于電子與空穴復(fù)合時(shí)放出的能量。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。這些電子與價(jià)帶上的空穴復(fù)合，復(fù)合時(shí)得到的能量以光能的形式釋放。這就是P-N結(jié)發(fā)光的原理。37電流注入與發(fā)光實(shí)際LED的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)P-N結(jié)。當(dāng)在P-N結(jié)上施加正向電壓，即P型接正，N型接負(fù)的電壓，會(huì)使能壘降低，從而使穿越能壘的電子向P型區(qū)擴(kuò)散，使穿越能壘的空穴向N型區(qū)擴(kuò)散的量增加。通常稱此為少數(shù)載流子注入，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子發(fā)生復(fù)合從而放出光。隨電壓增加，達(dá)到一定值，電流急劇增加，光發(fā)射開始。電流開始增加時(shí)對應(yīng)的電壓相應(yīng)于P-N結(jié)勢壘的高度，稱該電壓為起始電壓，起始電壓隨LED材料及元件的結(jié)構(gòu)不同而不同，GaAs為1.0～1.2V，GaAIAs為1.5～1.7V，GaP為1.8V，SiC為2.5V等等。38LED驅(qū)動(dòng)概述原始電源有各種形式，但無論哪種電源，一般都不能直接給LED供電。因此，要用LED作照明光源就要解決電源變換問題。LED實(shí)際上是一個(gè)電流驅(qū)動(dòng)的低電壓單向?qū)щ娖骷?，LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)具有直流控制、高效率、PWM調(diào)光、過壓保護(hù)、負(fù)載斷開、小型尺寸以及簡便易用等特點(diǎn)。39InGaNLED的元件結(jié)構(gòu)p-Electroden-Electrodep-GaNp-AlxGa1-xNInyGa1-yNn-AlzGa1-zNn-GaNGaNBufferLayerSapphireSubstrate正負(fù)電極都在基板的上方!!40理論和實(shí)踐證明，光的峰值波長λ與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度Ｅg有關(guān)，即

λ≈1240/Eg（mm）

電子由導(dǎo)帶向價(jià)帶躍遷時(shí)以光的形式釋放能量，大小為禁帶寬度Eg，若能產(chǎn)生可見光（波長在380nm紫光～780nm紅光），半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在1.59～3.26eV之間。在此能量范圍之內(nèi)，帶隙為直接帶的III-V族半導(dǎo)體材料只有GaN等少數(shù)材料。解決這個(gè)問題的一個(gè)辦法是利用III-V族的二元化合物組成新的三元或四元III-V族固溶體，通過改變固溶體的組分來改變禁帶寬度與帶隙類型。由兩種III-V族化合物（如GaP和GaAs

、GaP和InP）組成三元化合物固溶體，它們也是半導(dǎo)體材料,并且其能帶結(jié)構(gòu)、禁帶寬度都會(huì)隨著組分而變化，由一種半導(dǎo)體過渡到另一種半導(dǎo)體。41X的取值三元化合物

GaPXAs1-X禁帶寬度波長與顏色

X=0.2

GaAs0.8P0.2

1.66eVλ=747nm

紅色

X=0.35

GaAs0.65P0.35

1.848eVλ=671nm

橙色由此可見，調(diào)節(jié)X的值就能改變材料的能級結(jié)構(gòu)，即改變LED的發(fā)光顏色。此即所謂的能帶工程。4243可見光區(qū)的光電半導(dǎo)體材料波長

(納米

)300400500600700AlGaAs

砷化銦鎵AlGaInP

磷化鋁鎵銦InGaN氮化銦鎵44人眼對光的敏感度Humaneyesaresensitivetogreenlight(~555nm),andhencethedevelopmentofgreen(oryellowishgreen)AlGaInPLEDisdesirable.45LED材料的發(fā)展歷史1965年世界上的第一只商用化LED誕生，用鍺制成，單價(jià)45美元，為紅光LED，發(fā)光效率0.1lm/w1968年利用半導(dǎo)體攙雜工藝使GaAsP材料的LED的發(fā)光效率達(dá)到1lm/w,并且能夠發(fā)出紅光、橙光和黃光1971年出現(xiàn)GaP材料的綠光LED，發(fā)光效率也達(dá)到1lm/w80年代，重大技術(shù)突破，開發(fā)出AlGaAs材料的LED，發(fā)光效率達(dá)到10lm/w1990年到2001年，AlInGaP的高亮度LED成熟，發(fā)光效率達(dá)到40—50lm/w1990年基于SiC材料的藍(lán)光LED出現(xiàn)，發(fā)光效率為0.04lm/w90年代中期出現(xiàn)以藍(lán)寶石為襯底的GaN藍(lán)光LED，到目前仍然為該技術(shù)46出光效率出光效率

是指P-N結(jié)輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子射到外部的百分?jǐn)?shù)。

換句話說，是表示器件內(nèi)部的光如何有效地發(fā)射出來的參數(shù)。影響因素：半導(dǎo)體本身對光的吸收；材料表面的反射（晶體和空氣折射率所決定的全反射）。47解決措施由于所用半導(dǎo)體材料的折射比空氣的折射率大得多，因此，出射角度不大時(shí)，就已經(jīng)形成了全內(nèi)反射，使得結(jié)平面產(chǎn)生的光透射不出來。即使出射角度很小時(shí)，也會(huì)有一大部分光被反射回去。光線在空氣界面折射時(shí)，按照菲涅爾射定律，有部分能量反射回去。為了提高光的透射率，人們想了很多措施，如用高折射率、低熔點(diǎn)的透明玻璃對管芯進(jìn)行拱形或半球形封裝。光在封裝材料內(nèi)，幾乎是垂直地入射到空氣界面，所以不會(huì)產(chǎn)生全內(nèi)反射，這樣出光效率可以提高4~7倍。48光通密度與電流密度的關(guān)系總的說來，光通密度隨著電流密度的增加而成正比例增加，但不容易出現(xiàn)飽和，鎵鋁砷和鎵砷磷發(fā)光二極管就是呈現(xiàn)這樣的特性。對于一些摻雜不是很高的材料，當(dāng)載流子達(dá)到一定數(shù)值后，光通密度達(dá)到飽和，再增加電流注入時(shí)，光通密度增加很少，甚至不再增加。電流密度/（mA·cm-2）光通密度（lm·cm-2）110102103110102103010-1磷化鎵、綠色磷化鎵、紅色鎵砷磷鎵鋁砷49相對發(fā)光亮度與環(huán)境溫度的關(guān)系由于結(jié)溫的升高使發(fā)光復(fù)合的幾率下降，發(fā)光二極管的亮度就會(huì)下降，所以發(fā)光二極管工作的環(huán)境溫度越高，所允許的耗散功率越小，允許的工作電流也就越小。即使環(huán)境溫度不變，由于注入電流加大，引起結(jié)溫升高，發(fā)光亮度—電流密度由線也會(huì)呈現(xiàn)現(xiàn)飽和現(xiàn)象。

環(huán)境溫度/℃0204060120-20光致發(fā)光體發(fā)光二極管相對發(fā)光亮度50色度均勻處理技術(shù)正常情況，人的肉眼顏色分辨閥值為5nm，以紅色LED為例：將兩個(gè)發(fā)光波長分別為620nm和625nm的LED放在一起點(diǎn)亮，人的肉眼將感覺出這兩個(gè)LED發(fā)出的光顏色有差異。從LED發(fā)光PN結(jié)制造來看，要批量性‘生長’同一個(gè)波長的產(chǎn)品是不可能的，正常情況下一張‘生長’完成后的LED芯片其發(fā)光波長在幾十個(gè)nm范圍內(nèi)，這個(gè)是半導(dǎo)體發(fā)光芯片制造工藝本身的特點(diǎn)，因此，若采用同一波長的LED將意味著顯示屏的制造成本驚人的增加——因?yàn)橹荒芡ㄟ^這樣的方式解決：購買更大數(shù)量的LED，從中分選出發(fā)光波長最集中的那一部分來使用，以士蘭，CREE，日亞NICHIA公司為例，銷售的LED發(fā)光波長范圍為8nm，要想從中分選出5nm的LED，正常情況下要增加3倍以上的訂購數(shù)量。516.3LED制程工藝（紅黃光系列）步驟內(nèi)容前段前段主要是外延片襯底以及外延層的生長中段中段主要包括：研磨、蒸鍍、光刻、切割等過程后段后段則是根據(jù)不同的需要把做好的LED封裝成各種各樣的形式

LED制程主要可分為三個(gè)階段：前段、中段、后段（也稱：上游、中游、下游。專業(yè)術(shù)語則為：材料生長，芯片制備和器件封裝。）

52元件制作及組裝技術(shù)LED的制作分前道（外延）、中道（芯片）、后道（封裝）技術(shù)。具體說來，包括下述工序：由單晶生長及擴(kuò)散制作P-N結(jié)形成電極；解理或劃片，將晶片分割成一個(gè)個(gè)的芯片；包覆保護(hù)膜；對芯片檢測分級；將芯片固定于引線框架中；引線鍵合；樹脂封裝；檢查并完成成品。上游中游下游53N-GaP-SiAlGaAsGaInP-AlP-GaP-MgAuAuBeAuTiAuAuAuGeNiNi四元系LED芯片的結(jié)構(gòu)，其中：P-GaP-Mg、GaInP-Al、N-GaP-Si、GaAs是前段工序完成后的產(chǎn)品；而上面五層和下面四層則是中段工序要做的工作。目前超高亮度發(fā)光二極管紅黃光系列用AlGaInP四元系材料是性能最好的，其前段工序的主要核心技術(shù)為MOVPE。54上游成品（外延片）研磨（減薄、拋光）正面涂膠保護(hù)（P面）化學(xué)拋光腐蝕蒸鍍（P面）蒸鍍（N面）黃光室涂膠去臘清洗、庫房去膠清洗清洗清洗涂膠前先涂光阻附著液光罩作業(yè)腐蝕金、鈹合金蒸鍍鈦、鋁（P面）套刻腐蝕鋁、鈦切割工序

半切

顯影、定影去膠清洗涂膠去膠清洗客戶要求較高的中游成品

點(diǎn)測一刀切客戶要求不高送各封裝廠顯影、定影全切

55LED工藝N－GaAs（100）摻P、Te外延N－GaAs（100）N－GaAs1－xPxZn擴(kuò)散N－GaAs（100）N－GaAs1－xPxP－GaAs1