LED結(jié)構(gòu)及原理講述-課件

紅光LED結(jié)構(gòu)：從上向下看，n型砷化鎵基板、n型AlGaAs(大bandgap材料)、p型活躍層（小bandgap材料），即發(fā)光層，決定發(fā)光波長(zhǎng)，1.42eV，850nm附近，紅外范圍，可以通過(guò)調(diào)整Al的含量，使之在紅光范圍發(fā)光；化合物半導(dǎo)體中增加Al，會(huì)使bandgap變大，p型AlGaAs(大bandgap材料)，器件為雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，即小bandganp材料夾在2個(gè)大bandgap材料之間；隨后是一層caplayer，介電層，電極。此圖是長(zhǎng)完累晶層后翻過(guò)來(lái)的結(jié)果，原因：基板是GaAs，1.42eV，發(fā)紅外光，只要波長(zhǎng)短于紅外的光，它會(huì)吸收所有可見(jiàn)光，造成中間發(fā)光層發(fā)出的光全部被基板吸掉，至少有一半的光被吸掉，所以要翻過(guò)來(lái)，在基板上挖個(gè)洞，形成top-down方式。大部分LED都是面射型。2020/11/241也是翻過(guò)來(lái)top-down，InP為基板，1.35eV,也會(huì)吸可見(jiàn)光，但圖中為紅外LED。如何看出紅外：InGaAsP：1.33-1.5eV，發(fā)光層是narrowbandgap材料，上下2個(gè)InP都是largebandgap材料，標(biāo)準(zhǔn)的雙異質(zhì)結(jié)，無(wú)需再襯底挖洞，讓光出來(lái)。2020/11/242精品資料2020/11/243你怎么稱呼老師？如果老師最后沒(méi)有總結(jié)一節(jié)課的重點(diǎn)的難點(diǎn)，你是否會(huì)認(rèn)為老師的教學(xué)方法需要改進(jìn)？你所經(jīng)歷的課堂，是講座式還是討論式？教師的教鞭“不怕太陽(yáng)曬，也不怕那風(fēng)雨狂，只怕先生罵我笨，沒(méi)有學(xué)問(wèn)無(wú)顏見(jiàn)爹娘……”“太陽(yáng)當(dāng)空照，花兒對(duì)我笑，小鳥說(shuō)早早早……”2020/11/244沒(méi)有翻過(guò)來(lái)，沒(méi)有用到異質(zhì)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單的pn型，GaP:N是發(fā)光層，GaP:簡(jiǎn)介帶隙，效率不高，2.26eV，接近綠光。2020/11/245邊射型LED,紅光結(jié)構(gòu)，雙異質(zhì)結(jié)，發(fā)光層為narrowbandgap材料，夾在2個(gè)largebandgap材料之間，邊射型發(fā)光不會(huì)太強(qiáng)，大部分光被基板吸掉。（1980年以前）2020/11/246高亮度可見(jiàn)光LED四元化合物半導(dǎo)體制作方法：n-GaAs做基板，Si較少用，會(huì)有晶格不匹配問(wèn)題；n-AlInP中摻鋁，帶隙擴(kuò)大，發(fā)光層是MQW結(jié)構(gòu)，p-AlGaP（MgII族），II族元素?fù)饺擘螈踝逶刂校纬蓀型半導(dǎo)體；兩邊為為大bandgap材料，2020/11/247藍(lán)綠光LED通常用2種基板：藍(lán)寶石（有雜質(zhì)時(shí)呈現(xiàn)藍(lán)色，無(wú)雜質(zhì)時(shí)是透明的），其bandgap很大，因此可見(jiàn)光不會(huì)被它吸收掉。制作方法：在外延生長(zhǎng)之前，需使用一項(xiàng)非常重要的技術(shù)，緩沖層技術(shù)（bufferlayer），通常要在約500度低溫生長(zhǎng)，而非1000度以上高溫。這一層質(zhì)量并不好，但作用很重要。再長(zhǎng)一層n型GaN，隨后是MQW結(jié)構(gòu)做發(fā)光層，再長(zhǎng)一層p型GaN, 再接上電極（contact），N型電極不能接在下面，必須有兩個(gè)frontcontact，原因？2020/11/248制造過(guò)程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（電極）好處是什么2020/11/249不用犧牲一部分發(fā)光區(qū)域，SiC基板導(dǎo)電。有什么問(wèn)題2020/11/2410早期紅黃光LEDGaP/AlGaInP/GaAsabsorbingsubstrate：GaAs2020/11/24115-10um的薄膜20-50um光到下面后，會(huì)被金屬反彈回來(lái)VPE（Vaporousphaseepitaxy)氣相外延生長(zhǎng)2020/11/2412None

absorbingredyellowLED結(jié)構(gòu)，假設(shè)是GaP基板不加窗口層，直接把p-typecontactelectrode接在上面

產(chǎn)生問(wèn)題：接觸電極很薄，電流來(lái)不及散開(kāi)，直接向下流2020/11/2413電流不散開(kāi)，集中在金屬電極的下面，電流密度會(huì)非常高，致使光電轉(zhuǎn)換效率下降（經(jīng)驗(yàn)：物理曲線數(shù)值增大到一定程度，就會(huì)趨緩，達(dá)到飽和）。原因:可能是熱效應(yīng)，也可能是其它飽和效應(yīng)，，使光電轉(zhuǎn)換效率開(kāi)始衰竭。因此，不希望在某個(gè)特定區(qū)域，電流密度太高。

如果電流無(wú)法散開(kāi)，過(guò)于集中在金屬電極區(qū)域，會(huì)使絕大部分的發(fā)光也集中在金屬電極區(qū)域下方，當(dāng)光打到金屬接觸區(qū)域時(shí)，會(huì)被擋住，使光線無(wú)法散開(kāi)。如何使光能夠散開(kāi)？2020/11/2414withwindowlayer加一層很厚的窗口層，其厚度是發(fā)光層厚度的十倍、甚至百倍。因?yàn)檫@一層很厚，電流有足夠的機(jī)會(huì)散開(kāi)。散開(kāi)之后的作用：1、使各點(diǎn)的電流密度降低，光電轉(zhuǎn)換效率就可以提高；2、使發(fā)光區(qū)域變大，被上面金屬擋住的區(qū)域所占比例就會(huì)減小，LED發(fā)光效率就會(huì)有較大提升。2020/11/2415HighBrightnessBlueLEDs藍(lán)寶石基板、低溫生長(zhǎng)緩沖層（累晶質(zhì)量不太好）、高品質(zhì)n-GaN、大bandgap材料、中間夾MQW結(jié)構(gòu)（InGaN是narrowbandgap區(qū)域，GaN是largebandgap區(qū)域，長(zhǎng)5-10個(gè)周期）、再長(zhǎng)largebandgapp型層。n-electrode要吃掉一部分累晶層區(qū)域，直到n型區(qū)域，將n型金屬接觸做在上面。2020/11/24162020/11/2417此結(jié)構(gòu)遇到一個(gè)問(wèn)題：電流散不開(kāi)，怎么辦？電流都集中在p-contact下面，發(fā)出的光都在p-contact下面，是否可以加窗口層？2020/11/2418無(wú)法加很厚的窗口層。原因：藍(lán)寶石基板和GaN晶格不匹配，在1000度長(zhǎng)完晶后，降溫過(guò)程中，外延層開(kāi)始彎曲，因此，上面的累晶層不能長(zhǎng)太厚，事實(shí)上，其總厚度大約在5um以下，藍(lán)寶石的厚度在大約300-400um之間；如果累晶層厚度超過(guò)10或20um，冷卻后，彎到一定程度，累晶層就會(huì)裂開(kāi)，因此，無(wú)法長(zhǎng)很厚的GaN窗口層，要解決此問(wèn)題，必須想其他辦法。p-contact下面長(zhǎng)一層特殊材料：會(huì)導(dǎo)電，又能透過(guò)可見(jiàn)光。2種可能選擇：A、仍然用金屬，只是把金屬變得很薄，但金屬變薄后，出現(xiàn)新問(wèn)題，其導(dǎo)電能力會(huì)迅速下降，電流散開(kāi)的能力會(huì)隨之降低。B、ITO（透明導(dǎo)電材料）2020/11/2419HighBrightnessLEDsonCIEChromaticityDiagram（RGBLED都包括）高亮度LED在色坐標(biāo)圖中的標(biāo)準(zhǔn)位置2020/11/2420R,G,B三色LED的光譜分布圖：紅光LED的半高寬，即波長(zhǎng)分布最窄；綠光LED半高寬較寬；藍(lán)光LED的半高寬介于二者之間。因?yàn)椴皇呛芾硐氲膯我徊ㄩL(zhǎng)的光，因此不會(huì)剛好落在色坐標(biāo)圖邊緣上。紅光的半高寬小，離邊緣近；綠光偏向中間，525、505、498nm，；另外，設(shè)計(jì)色坐標(biāo)時(shí)，綠光被刻意拉大也是一個(gè)原因；藍(lán)光也比較靠近邊緣。626,615,605,590……..為λp：最高強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。2020/11/24212020/11/24222020/11/24232020/11/24242020/11/2425LED芯片介紹1、LED芯片分類介紹2、不同結(jié)構(gòu)LED芯片的性能簡(jiǎn)介3、垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的制成2020/11/2426Led芯片的結(jié)構(gòu)

LED芯片有兩種基本結(jié)構(gòu)，水平結(jié)構(gòu)（Lateral）和垂直結(jié)構(gòu)（Vertical）。橫向結(jié)構(gòu)LED芯片的兩個(gè)電極在LED芯片的同一側(cè)，電流在n-和p-類型限制層中橫向流動(dòng)不等的距離。垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片的兩個(gè)電極分別在LED外延層的兩側(cè)，由于圖形化電極和全部的p-類型限制層作為第二電極，使得電流幾乎全部垂直流過(guò)LED外延層，極少橫向流動(dòng)的電流，可以改善平面結(jié)構(gòu)的電流分布問(wèn)題，提高發(fā)光效率，也可以解決P極的遮光問(wèn)題，提升LED的發(fā)光面積。制造垂直結(jié)構(gòu)LED芯片技術(shù)主要有三種方法：一、采用碳化硅基板生長(zhǎng)GaN薄膜，優(yōu)點(diǎn)是在相同操作電流條件下，

光衰少、壽命長(zhǎng)，不足處是硅基板會(huì)吸光。

二、利用芯片黏合及剝離技術(shù)制造。優(yōu)點(diǎn)是光衰少、壽命長(zhǎng)，不足處是須對(duì)LED表面進(jìn)行處理以提高發(fā)光效率。

三、是采用異質(zhì)基板如硅基板成長(zhǎng)氮化鎵LED磊晶層，優(yōu)點(diǎn)是散熱

好、易加工。

2020/11/2427目前主流Led結(jié)構(gòu)剖析2020/11/2428兩種芯片發(fā)光形式2020/11/2429水平型結(jié)構(gòu)Led出光路線2020/11/2430垂直型芯片性能介紹

由于當(dāng)前芯片主要是垂直型的和水平型的兩種。

垂直型產(chǎn)品以CREE芯片為代表特點(diǎn)主要是：

光效高：最高可達(dá)161lm\w，節(jié)能；

電壓低：藍(lán)光在2.9~3.3V；

熱阻小：芯片本身的熱阻小于1‘C/W;

亮度高：由于采用垂直結(jié)構(gòu)，電流垂直流動(dòng)，電流密度均勻，

耐沖擊型強(qiáng)；同一尺寸芯片，發(fā)光面寬，亮度高。

光型好：85%以上光從正面發(fā)出，易封裝，好配光；

唯一的缺點(diǎn)就是：不方便集成封裝。若要集成封裝，芯片需

做特殊處理。

我公司全部采用垂直結(jié)構(gòu)的芯片。2020/11/2431水平型芯片性能介紹

水平型產(chǎn)品以普瑞芯片為代表，芯片的主要特點(diǎn)是：

光效一般：最高在100lm\w左右；

電壓高：藍(lán)光在3.4~4V；

熱阻高：使用藍(lán)寶石襯底導(dǎo)熱性差。芯片本身的熱阻在4~6‘C/W;

亮度一般：由于采用水平結(jié)構(gòu)，電流橫向動(dòng)，電流密度不均，容易局

部燒壞；為彌補(bǔ)這一缺陷，在芯片的上表面做ITO.ITO將以

減少出光為代價(jià)。同一尺寸芯片，發(fā)光面窄，亮度低。

光利用率低：65%左右的光從正面發(fā)出，35%的光從側(cè)面發(fā)出，靠反射來(lái)

達(dá)到出光，利用率低。

唯一的優(yōu)點(diǎn)就是：便于集成封裝。不過(guò)，它也是缺點(diǎn)，由于沒(méi)解決好散

熱，所以集成封裝只有加速它的衰減，不可取。

2020/11/2432垂直芯片的制成2020/11/2433垂直芯片剖析2020/11/2434垂直LED制造的方法

制造垂直結(jié)構(gòu)LED芯片有兩種基本方法：

一、剝離生長(zhǎng)襯底；

二、不剝離生長(zhǎng)襯底。

其中生長(zhǎng)在砷化鎵生長(zhǎng)襯底上的垂直結(jié)構(gòu)GaP基LED芯片有兩種結(jié)構(gòu)：

一、不剝離導(dǎo)電砷化鎵生長(zhǎng)襯底：在導(dǎo)電砷化鎵生長(zhǎng)襯底上層

迭導(dǎo)電DBR反射層，生長(zhǎng)

GaP基LED外延層在導(dǎo)電DBR反

射層上。

二、剝離砷化鎵生長(zhǎng)襯底：層迭反射層在GaP基LED外延層上，

鍵合導(dǎo)電支持襯底，剝離砷化鎵襯底。導(dǎo)電支持襯底包括，

砷化鎵襯底，磷化鎵襯底，硅襯底，金屬及合金等。

2020/11/24352020/11/24362020/11/2437四元DBR材料2020/11/2438MQWLED器件結(jié)構(gòu)示意圖2020/11/24392020/11/24402020/11/24412020/11/24422020/11/24432020/11/24442020/11/24452020/11/24462020/11/24472020/11/24482020/11/24492020/11/24502020/11/24512020/11/24522020/11/24532020/11/24542020/11/24552020/11/24562020/11/24572020/11/24582020/11/2459左：p-typelargebandgap材料右：n-typelargebandgap材料有源層：narrowbadgap材料，通常摻雜濃度很低電子和空穴分別從左右兩端進(jìn)入有源層，其擴(kuò)散長(zhǎng)度會(huì)比有源層厚度（如0.2—2um）大很多，表示載流子會(huì)很均勻地分布在narrowbandgap材料中；

由于電中性的要求，因此額外的電子和空穴數(shù)應(yīng)該相等（△n=△p）：通常有源層摻雜濃度很低，相對(duì)而言，注入的載流子數(shù)目非常多，因此以上等式成立，2020/11/24602020/11/2461量子阱（QW）是指由2種不同的半導(dǎo)體材料相間排列形成的、具有明顯量子限制效應(yīng)的電子或空穴的勢(shì)阱。2020/11/2462多量子阱結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)：1、在MQW結(jié)構(gòu)中，電子和空穴的波函數(shù)重疊較多，因此其輻射復(fù)合的效率較高；2、在DH結(jié)構(gòu)中，narrowbandgap材料形成的發(fā)光區(qū)不會(huì)長(zhǎng)得太窄，否則會(huì)使發(fā)光區(qū)域變小，影響發(fā)光效率；也不能長(zhǎng)得太寬，否則會(huì)超過(guò)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度，通常0.5-5um；如果中間的narrowbandgap材料和兩邊的largebandgap材料晶格不匹配，長(zhǎng)晶后，材料會(huì)產(chǎn)生很多缺陷，使發(fā)光效率下降；用MQW結(jié)構(gòu)，中間narrowbandgap層可以做的很薄，晶格不匹配的影響很小，不會(huì)產(chǎn)生缺陷；如InGaN剛好發(fā)出藍(lán)、綠光，兩邊largebandgap材料用GaN，但它們之間的latticeconstant不匹配，可以使InGaN長(zhǎng)得很薄，兩邊材料長(zhǎng)得很厚，材料不會(huì)產(chǎn)生松弛、開(kāi)裂，但發(fā)光強(qiáng)度不夠，因此采用MQW結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)很多層。材料間晶格不匹配時(shí)，要考慮用MQW結(jié)構(gòu)。3、利用MQW結(jié)構(gòu)，可以使發(fā)出光子的能量有效增加。當(dāng)形成QW結(jié)構(gòu)時(shí)，能量會(huì)被量子化，能夠有效提高載流子結(jié)合