LED電子顯示技術(shù)

1第1頁/共104頁2白光LED的原理和應(yīng)用第2頁/共104頁3白色LED照明燈地磚燈禮品燈手電筒第3頁/共104頁4360°LED環(huán)形顯示器第4頁/共104頁5360°LED環(huán)形顯示器第5頁/共104頁6發(fā)光二極管(LED)第6頁/共104頁7發(fā)光二極管(LED)第7頁/共104頁8發(fā)光二極管(LED)第8頁/共104頁9電壓：LED使用低壓電源，供電電壓在6-24V之間，根據(jù)產(chǎn)品不同而異，所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80%適用性：很小，每個單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境穩(wěn)定性：10萬小時，光衰為初始的50%響應(yīng)時間：其白熾燈的響應(yīng)時間為毫秒級，LED燈的響應(yīng)時間為納秒級.發(fā)光二極管(LED)第9頁/共104頁10對環(huán)境污染：無有害金屬汞顏色：改變電流可以變色，發(fā)光二極管方便地通過化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，實現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬S色，最后為綠色價格：LED的價格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只LED的價格就可以與一只白熾燈的價格相當(dāng)，而通常每組信號燈需由上300～500只二極管構(gòu)成。發(fā)光二極管(LED)第10頁/共104頁11發(fā)光二極管(LED)發(fā)光二極管及發(fā)光二極管顯示器(LED)LED用材料及發(fā)光機(jī)制LED的制作工藝各種LED及其特性LED顯示器的各種用途及發(fā)展前景LED的其他應(yīng)用研究課題與展望第11頁/共104頁121.1發(fā)光二極管

發(fā)光二極管（lightemittingdiode，LED），顧名思義，是由半導(dǎo)體制作的二極管的一種。眾所周知，二極管具有整流作用，即在其兩極上施加電壓時，僅能單方向通過電流。所謂發(fā)光二極管是指當(dāng)在其整流方向施加電壓（稱為順方向）時，有電流注人，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。這種LED由半導(dǎo)體制成，屬于固體元件,工作狀態(tài)穩(wěn)定、可靠性高，其連續(xù)通電時間（壽命）可達(dá)105h以上。LED元件與一般半導(dǎo)體元件一樣，也被稱為芯片（chip），其尺寸通常為數(shù)百微米見方，是很小的。LED的發(fā)光顏色，與白熾燈等發(fā)出的白色光等不同，而是近于單色光，換句話說，其發(fā)光的光譜是很窄的。通過選擇半導(dǎo)體材料，目前生產(chǎn)的發(fā)光二極管可以發(fā)射紅外、紅、橙、黃、綠、藍(lán)等范圍相當(dāng)寬的各種各樣的顏色。發(fā)光二極管(LED)第12頁/共104頁13LED的開發(fā)經(jīng)歷及今后展望

LED的注人型發(fā)光現(xiàn)象是1907年H.J.Round在碳化硅晶體中發(fā)現(xiàn)的。1923年O.W.Lossew在S的點接觸部位觀測到發(fā)光，從而使注人型發(fā)光現(xiàn)象得到進(jìn)一步確認(rèn)。1952年J.R.Haynes等在鍺，硅的P－N結(jié)，以及1955年G.A.Wolff在GaP中相繼觀測到發(fā)光現(xiàn)象。一般認(rèn)為，至此為LED的萌芽期發(fā)光二極管(LED)第13頁/共104頁1420世紀(jì)60年代可以說是基礎(chǔ)技術(shù)的確立時期。從1962年P(guān)ankove觀察到GaAs中P－N結(jié)的發(fā)光開始，相繼發(fā)表關(guān)于GaAs，GaP，GaAsP，ZnSe等單晶生成技術(shù)、注人發(fā)光現(xiàn)象的大量論文，1968年GaAsP紅色LED燈投人市場，1969年R.H.Saul等人發(fā)表GaP紅色LED的外部發(fā)光效率達(dá)7.2％，從此實用化的研究開發(fā)加速展開此后，在70～80年代，由于基板單晶生長技術(shù)、P－N結(jié)形成技術(shù)、元件制造、組裝自動化等技術(shù)的迅速進(jìn)步。近年來，采用高輝度紅色、綠色LED的平面顯示元件已廣泛用于各種信息顯示板。對于最難實現(xiàn)的藍(lán)色LED，采用了SiC，數(shù)年前也達(dá)到了實用化，已有顯示燈產(chǎn)品供應(yīng)市場發(fā)光二極管(LED)第14頁/共104頁152.1晶體結(jié)構(gòu)及能帶結(jié)構(gòu)

LED的發(fā)光來源于電子與空穴發(fā)生復(fù)合時放出的能量。作為LED用材料，一是要求電子與空穴的輸運效率要高；二是要求電子與空穴復(fù)合時放出的能量應(yīng)與所需要的發(fā)光波長相對應(yīng)，一般多采用化合物半導(dǎo)體單晶材料。眾所周知，在半導(dǎo)體中，根據(jù)晶體中電子可能存在的能態(tài)有價帶、導(dǎo)帶、禁帶之分。來自半導(dǎo)體單晶的發(fā)光，是穿越這種材料固有禁帶的電子與價帶的空穴復(fù)合時所產(chǎn)生的現(xiàn)象。

發(fā)光二極管(LED)第15頁/共104頁16

Si、Ge等IV族元素單晶半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)，屬于圖7－2（a）所示的金剛石結(jié)構(gòu)；GaAs、GaP、ZnSe等化合物半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)，屬于圖7－2（b）所示的閃鋅礦結(jié)構(gòu)；GaN具有如圖7－2（c）所示的纖鋅礦結(jié)構(gòu)，屬于六方點陣。

半導(dǎo)體元素，有大家所熟知的、位于周期表上第IV族的S、Ge，它們作為半導(dǎo)體集成電路用材料，在現(xiàn)代電子工業(yè)中起著不可替代的作用。LED用材料，有由III族的Al、Ga、n與V族的N、P、As等兩種以上元素相結(jié)合而成的Ill—V族，由II族的Zn與VI族的S、Se相結(jié)合而成的II—VI族，由Si與C相結(jié)合而成的IV—IV族等化合物半導(dǎo)體。發(fā)光二極管(LED)第16頁/共104頁17發(fā)光二極管(LED)第17頁/共104頁18

一般說來，能帶結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)關(guān)系很大，化合物半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)與金剛石型的能帶結(jié)構(gòu)相類似。表7－1給出各種半導(dǎo)體晶體的特性。發(fā)光二極管(LED)第18頁/共104頁19半導(dǎo)體材料晶體結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)禁帶寬度/eV(300K)點陣常數(shù)/àSi金剛石間接1.125.43Ge金剛石間接0.665.66AlP閃鋅礦間接2.455.46GaP閃鋅礦間接2.245.45InP閃鋅礦直接1.354.87AlAs閃鋅礦間接2.135.66GaAs閃鋅礦直接1.435.65GaN纖鋅礦直接3.39a=3.18b=5.16ZnSe閃鋅礦直接2.675.67SiC(α)六方晶間接2.86a=3.08b=15.12發(fā)光二極管(LED)第19頁/共104頁20為了制取發(fā)光效率高的LED，在電子與空穴發(fā)生復(fù)合放出能量時，除了要考慮復(fù)合前后的能量之外，還應(yīng)保持動量守恒。可獲得最高發(fā)光效率的復(fù)合過程是電子與空穴的最初動量相同，因復(fù)合而放出的能量全部變成光，而動量卻不發(fā)生變化，這種情況如圖7-3(a)所示。其能帶結(jié)構(gòu)的特點是，在價帶頂與導(dǎo)帶底不存在動量差，這種半導(dǎo)體發(fā)生的復(fù)合稱為直接躍遷型。發(fā)光二極管(LED)第20頁/共104頁21發(fā)光二極管(LED)第21頁/共104頁22

對于電子與空穴的初始動量不同的情況，為了保持動量守恒，需要熱、聲等晶格振動參與遷移過程，因此發(fā)生復(fù)合的幾率變得很低，這種初始動量不同的電子、空穴的復(fù)合稱為間接躍遷型，其能帶結(jié)構(gòu)如圖7-3(b)所示。發(fā)光二極管(LED)第22頁/共104頁23發(fā)光二極管(LED)第23頁/共104頁24

另外，如圖7-3(c)所示，通過在導(dǎo)帶與價帶之間加人被稱作等電子捕集器(isoelectronictrap)的雜質(zhì)中心，也可以使像GaP這種間接遷移的情況達(dá)到很高的發(fā)光效率。發(fā)光二極管(LED)第24頁/共104頁25發(fā)光二極管(LED)第25頁/共104頁262.2發(fā)光機(jī)制及發(fā)光波長

LED的發(fā)光源于電子與空穴的復(fù)合，其發(fā)光波長是由復(fù)合前空穴和電子的能量差決定的。對于直接躍遷型材料，晶體發(fā)光的波長決定于禁帶寬度Eg，發(fā)光波長可由關(guān)系式λ=1240/Eg求出。為了得到可見光，Eg必須在1.6eV以上。如圖7-3所示．在能帶結(jié)構(gòu)中，由于導(dǎo)帶、價帶都為拋物線形狀，因此發(fā)光譜兩端都會有不同程度的加寬現(xiàn)象，其半高寬一般為30～50nm。發(fā)光二極管(LED)第26頁/共104頁27

紅外LED中一般使用直接遷移型材料，如GaAs，GaAlAs，InGaAsP等。但也有用摻雜Si的GaAs制作的LED，通過在比價帶高的能量位置形成的所謂受主能級與導(dǎo)帶的電子發(fā)生復(fù)合的機(jī)制，其發(fā)光波長為940nm，比GaAs禁帶寬度對應(yīng)的發(fā)光波長880nm更長些。發(fā)光二極管(LED)第27頁/共104頁28

紅色LED的中心材料是以Zn-O對作為發(fā)光中心的GaP，Zn-O對在其中起等電子捕集器的作用。GaP為間接躍遷型，在其中導(dǎo)入雜質(zhì)Zn-O對作為發(fā)光中心，已實現(xiàn)較高效率的紅色LED，發(fā)光波長為700nm，晶體不發(fā)生自吸收現(xiàn)象，可以在低電流密度下獲得高輝度。

發(fā)光二極管(LED)第28頁/共104頁29在橙色、黃色LED中，使用的是以N為等電子捕集器的GaAsP；在綠色LED中，使用的是摻雜有高濃度N的間接遷移型GaP。而且，在純綠色LED中，正在使用不摻入雜質(zhì)的GaP。發(fā)光二極管(LED)第29頁/共104頁30

藍(lán)色LED需要采用禁帶寬度大的材料已經(jīng)在研究開發(fā)的有SiC，GaN，ZnSe，ZnS等。SiC是容易形成P-N結(jié)的材料，屬于間接躍遷型，依靠摻入雜質(zhì)Al和N能級間的躍遷產(chǎn)生發(fā)光。GaN，ZnSe，ZnS為直接躍遷型，可獲得高輝度發(fā)光。這些材料的研究開發(fā)近年來獲得重大突破，高輝度藍(lán)色LED正在達(dá)到實用化。發(fā)光二極管(LED)第30頁/共104頁312.3電流注入與發(fā)光

實際LED的基本結(jié)構(gòu)要有一個P-N結(jié)。當(dāng)在P-N結(jié)上施加順向電壓，即P型接正，N型接負(fù)的電壓，會使能壘降低，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。發(fā)光二極管(LED)第31頁/共104頁322.4發(fā)光效率、光輸出及亮度注入LED的載流子變換為光子的比率稱為內(nèi)部量子效率；而射出晶體之外的光子與注入載流子之比稱為外部量子效率。由于在P-N結(jié)附近發(fā)生的光會受到晶體內(nèi)部的吸收以及反射而減少，一般說來，外部量子效率要低于內(nèi)部量子效率。市售LED產(chǎn)品的外部量子效率，紅色的大約為15％，從黃色到綠色的則在0.3％～l％范圍內(nèi)，藍(lán)色的大約為3％。發(fā)光二極管(LED)第32頁/共104頁33

LED的發(fā)光效率與其能量收支相關(guān)，其數(shù)值可表示為載流子向P-N結(jié)的注入效率、載流子變?yōu)楣獾淖儞Q效率、產(chǎn)生的光到達(dá)晶體外部的光取出效率三者的乘積。為獲得較高的發(fā)光效率，一般要采取各種措施，例如在結(jié)構(gòu)上采取讓光通過一般說來吸收率較小的N型半導(dǎo)體，為防止由于晶體表面反射造成的損失，在晶體表面涂覆高折射率的薄膜等等。發(fā)光二極管(LED)第33頁/共104頁34

對于顯示用可見光LED來說，不僅僅是要求光輸出要大，重要的是與視感度相關(guān)的發(fā)光效率。人眼的視感度對555nm的綠色出現(xiàn)峰值，而后急速下降。光輸出中與視感度相關(guān)的部分稱為光度，光度是顯示用可見光LED的輝度指標(biāo)。發(fā)光二極管(LED)第34頁/共104頁352.5變頻特性

在LED中，由容抗及電阻決定的時間常數(shù)非常小，因此其調(diào)頻速度決定于載流子的壽命τ，而后者與載流子注人之后，經(jīng)過復(fù)合，再到載流子消失所用的時間相對應(yīng)。也就是說，隨著注人電流的變化加速，載流子密度逐漸不能追隨注人電流的變化，響應(yīng)速度變慢，發(fā)光強度慢慢下降。與低周波變頻時相比，當(dāng)高周波變頻時的發(fā)光強度降低1.5dB時的周波數(shù)稱為截止周波數(shù)fc，并由下式表示fc=1/(2πτ)發(fā)光二極管(LED)第35頁/共104頁36

在LED中，發(fā)光強度與截止周波數(shù)通常按折衷（(trade-off)關(guān)系處理。載流子壽命τ長，發(fā)光延續(xù)的時間亦長，從而發(fā)光強度高，但同時截止周波數(shù)變低。通過在活性區(qū)高濃度摻雜雜質(zhì)，因存在晶體缺陷及俄歇效應(yīng)等，非發(fā)光復(fù)合的比例增加，從而可使載流子壽命變短。在要求高速響應(yīng)的光通訊用紅外LED中，截止周波數(shù)從數(shù)十兆赫到100MHz以上；另一方面，在高輝度可見光LED中，截止周波數(shù)大致在IMHz上下。發(fā)光二極管(LED)第36頁/共104頁372.6LED與激光二極管

如果說LED是由向P-N結(jié)注人電流的載流子復(fù)合時放出光（自然發(fā)射光）并向外取出的元件，激光二極管（LD）則進(jìn)一步是通過所設(shè)置的光波導(dǎo)及共振器等，將放出光的一部分返回，并利用誘導(dǎo)放出，使光的強度升高的發(fā)光振器。所謂誘導(dǎo)放出，是通過光對活性區(qū)大量存在的電子與空穴狀態(tài)多次激發(fā)，使其發(fā)生復(fù)合，放出光，而放出光的位相與此時輸人光的位相相同，因此光的強度增強。

發(fā)光二極管(LED)第37頁/共104頁38

圖7-7表示LD的基本構(gòu)造及其能帶結(jié)構(gòu)。在薄的活性層兩側(cè)，用禁帶寬度比活性層的禁帶寬度更寬的半導(dǎo)體形成P－N結(jié)。發(fā)光二極管(LED)第38頁/共104頁393.1單晶制作技術(shù)利用水平布里奇曼（Bridgman）法（又稱為HB法或舟皿生長法）及液體保護(hù)旋轉(zhuǎn)提拉法（又稱為液體保護(hù)切克勞斯基（Czochralski）法或LEC法）可以制備這種塊狀單晶，這兩種方法都屬于可以獲得大型基板單晶體的熔液生長法。GaP單晶可由圖7-8所示的LEC法單晶拉制裝置來制造。發(fā)光二極管(LED)第39頁/共104頁40發(fā)光二極管(LED)第40頁/共104頁41GsAs單晶由控制溫差的HB法制作發(fā)光二極管(LED)第41頁/共104頁42對于其他材料來說，正在進(jìn)行制作的有外延三元混晶（GaAsP，InGaP，InGaAs等）用的基板單晶，如InGaAs（LEC法）及InGaP（蒸汽壓控制法），II-VI族化合物單晶如ZnSe（布里奇曼法、seededphysicalvaportransport法、帶籽晶的物理氣相輸運法）、ZnS（碘輸運法）、SiC（升華法）等關(guān)于單晶生長，今后的研究課題是，減少雜質(zhì)、提高組成及雜質(zhì)分布的均勻性，減少缺陷及位錯密度。因此，生長過程的計算機(jī)模擬及生長中的監(jiān)控越來越重要。目前正在研究開發(fā)的有通過裝有籽晶的超聲波傳感器，對生長中晶體的結(jié)晶生長進(jìn)行監(jiān)控的方法，通過X射線透視裝置進(jìn)行監(jiān)控的方法等。而且，單晶的分析評價技術(shù)對于單晶體的制作來說是必不可少的。發(fā)光二極管(LED)第42頁/共104頁433.2外延技術(shù)

液相外延（liquidphaseepitaxy，LPE）法從原理上說是溶液冷卻法，即利用溶解度相對于溫度的變化，通過飽和溶液的冷卻，使過飽和的溶質(zhì)部分在基板表面析出的方法。在LPE法中，利用源的烘烤，可以獲得高純度的優(yōu)良單晶，而且生長速率大，現(xiàn)已用于GaP，GaAs，InP系的LED的批量化生產(chǎn)。紅、綠色LED用的GaP，紅色LED用的GaAIAs，紅外LED用的GaAs，長波長LED用的InGaAsP都是通過LPE法制作的。發(fā)光二極管(LED)第43頁/共104頁44

從原理上說是溶液冷卻法，即利用溶解度相對于溫度的變化，通過飽和溶液的冷卻，使過飽和的溶質(zhì)部分在基板表面析出的方法。發(fā)光二極管(LED)第44頁/共104頁45發(fā)光二極管(LED)第45頁/共104頁46

氣相外延（vaporPhaseepitaxy，VPE）法，如圖7－11所示，是使III族金屬源氣體與V族鹵化物或氫化物通過開管式反應(yīng)而進(jìn)行的氣相生長法，適合批量生產(chǎn)，目前紅、橙、黃色LED用的GaAsP就是用這種方法制作的。發(fā)光二極管(LED)第46頁/共104頁47發(fā)光二極管(LED)第47頁/共104頁48

分子束外延（molecularbeamepitaxy，MBE）法，如圖7－12所示，是使PBN小孔坩堝中的固體加熱氣化，得到的分子束射向加熱到一定溫度的基板單晶上進(jìn)行單晶生長的方法。其特點是組成、膜厚的可控制性及均勻性都很好發(fā)光二極管(LED)第48頁/共104頁49發(fā)光二極管(LED)第49頁/共104頁50

有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積（metal－organicchemicalvapordeposition，MOCVD）法，對于Ill-V族化合物來說，是以Ill族金屬的烷基金屬化合物為原料，V族元素以氫化物為原料的氣相生長法；以H2為載帶氣體，在常壓或減壓的氣氛中，在加熱到一定溫度的基板單晶上，在保持V族元素過剩的條件下，使氣相原料之間發(fā)生反應(yīng)的單晶生長法。其裝置示意見圖7-13。其特點與MBE相似，組成、膜厚的可控制性及均勻性都很好，是適于批量生產(chǎn)的單晶生長法。發(fā)光二極管(LED)第50頁/共104頁51發(fā)光二極管(LED)第51頁/共104頁523.3摻雜技術(shù)向化合物半導(dǎo)體單晶中摻雜雜質(zhì)有各種不同的方法。在LPE法中，通過向熔液中添加各種雜質(zhì)，即可獲得具有所要求的電導(dǎo)率、特定載流于濃度的單晶體。在VPE、MBE、MOCVD方法中，或者使固態(tài)的雜質(zhì)蒸發(fā)，或者添加含有雜質(zhì)的氣態(tài)化合物，以獲得所要求的電導(dǎo)率及載流子濃度等。摻人雜質(zhì)的量可以獨立控制，重復(fù)性、可控制性都較好。擴(kuò)散摻雜仍然是最重要的摻雜方法之一。擴(kuò)散摻雜法分閉管式（真空閉管式）和開管式兩種，后者操作簡單，適合于大直徑晶片及批量化生產(chǎn)。發(fā)光二極管(LED)第52頁/共104頁53發(fā)光二極管(LED)第53頁/共104頁54近年來，出現(xiàn)一些新的擴(kuò)散方法，例如通過Zn及S的離子注人層以及電子束（electronbeam，EB）蒸鍍的Si層，利用快速燈退火進(jìn)行摻雜，但由于易產(chǎn)生晶體缺陷及結(jié)淺等原因，不適于LED的制作。選擇擴(kuò)散用掩模一般用SiO2及SiNx等，但由于它們與GaAs的熱膨脹系數(shù)不同容易造成應(yīng)變等，在與掩模的界面處，會產(chǎn)生由擴(kuò)散引起的所謂“鳥嘴”現(xiàn)象。為了防止其發(fā)生，可用Si作擴(kuò)散掩模，而在進(jìn)行Si的擴(kuò)散時，可以用Si膜作擴(kuò)散源。今后的課題是提高摻雜的均勻性以及采用無掩模的選擇摻雜技術(shù)等發(fā)光二極管(LED)第54頁/共104頁553.4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，將晶片分割成一個個的芯片；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。發(fā)光二極管(LED)第55頁/共104頁56

對LED的檢查項目包括：VI特性，CV特性，電流—輝度（功率）特性，發(fā)光峰波長，發(fā)光譜半高寬，響應(yīng)速度，發(fā)光效率，溫度特性，角度特性，壽命等；此外還有電流、電壓、溫度的最高允許值等。對光通訊應(yīng)用來說，需要測定光輸出，截止周波數(shù)，在光纖端的輸出，耦合損失，指向特性，靜電破壞特性等。在上述的LED組裝、檢查工藝中，還需要實現(xiàn)自動化以提高效率、降低價格。發(fā)光二極管(LED)第56頁/共104頁57在LED領(lǐng)域，最近十余年間，在單晶生長方法、新材料等的研究方面獲得了十分突出的進(jìn)展最常見的紅光LED，十余年間其光度得到飛躍性的提高。其原因是由于采用了由直接躍遷型化合物半導(dǎo)體GaAIAs構(gòu)成的雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，目前已出現(xiàn)軸上光度超過3000mcd（20mA）的制品。在橙、黃色LED中，采用紅色LED所用的材料GaAsP，使其發(fā)光波長縮短，再加上近年來新開發(fā)的InGaAlP混晶材料，實現(xiàn)了高輝度LED。發(fā)光二極管(LED)第57頁/共104頁58在LED領(lǐng)域，難度最大的當(dāng)數(shù)藍(lán)色LED。研究人員針對SiC、GaN、ZnSe、ZnS等材料已經(jīng)進(jìn)行過多年的研究開發(fā)。但是，對于這些材料來說，由于存在難以實現(xiàn)的問題，例如難以實現(xiàn)P型單晶，不能得到大塊的基板單晶，不容易做成具有優(yōu)良結(jié)晶性的P-N結(jié)等一系列問題，很難制作與其他顏色LED的亮度相匹配的藍(lán)色LED元件，自然也就談不上批量生產(chǎn)。但是在最近數(shù)年間，在各種各樣的材料方面都獲得十分顯著的技術(shù)進(jìn)步，已經(jīng)生產(chǎn)出亮度可與高輝度紅色LED相匹敵的藍(lán)色LED制品。發(fā)光二極管(LED)第58頁/共104頁594.1GaP：ZnO紅色LED

GaP紅色LED于1970年前后開始工業(yè)化生產(chǎn)，為LED的主要產(chǎn)品類型?，F(xiàn)在的可見光LED燈中，利用GaP材料的占相當(dāng)大的比例?；鍐尉镚aP，通過LPE法形成發(fā)光用的P-N結(jié)。在這種LED中，發(fā)光機(jī)制是基于間接躍遷型半導(dǎo)體中等電子捕集器雜質(zhì)中心的發(fā)光，以Zn-O最近鄰對作為發(fā)光中心，可以獲得實用的發(fā)光效率（批量生產(chǎn)時5％，最高達(dá)15％）。這種LED在高電流密度區(qū)域，發(fā)生效率達(dá)到極限值，因此多數(shù)在低電流下使用。其顯示元件彩色鮮明，靈巧輕便，多用于室內(nèi)的各種機(jī)器設(shè)備中。發(fā)光二極管(LED)第59頁/共104頁604.2GaP：N綠色LED

綠色LED的發(fā)光效率近年來也獲得顯著提高。綠色LED的材料與上述的摻ZnO的紅色LED的材料相同，也是GaP，即在GaP基板單晶上用LPE法形成發(fā)光用的P-N結(jié)。一般市售綠色LED按其發(fā)光峰值波長的大小可分為二大類，一類是為了提高發(fā)光效率，在生長層中添加與P屬于同族的氮（N）作為等電子捕集器，這種LED的發(fā)光峰值波長為565nrn，為略帶黃色的綠色，盡管發(fā)光效率較低，一般為0.3％～0.7％，但相對視感度比紅色高10倍以上，顯得非常明亮。其軸上光度一般在500mcd（20mA）以上，也可用于室外顯示器。另一類為純綠色LED，在制作過程中不添加氮，其發(fā)光峰值波長為555nm。發(fā)光效率比前一類要低，但也可以制作出發(fā)光效率高于0.1％的制品，其軸上光度可以達(dá)到200mcd（20mA）較高的值。發(fā)光二極管(LED)第60頁/共104頁614.3GaAsP系紅色LED

在GaAsP系單晶體中，隨著GaAs1-xPx的成份比x的變化，可以獲得從紅外（x=0）到綠色（x=1）的發(fā)光。先在單晶基板上通過VPE法生長N型GaAsP，而后經(jīng)擴(kuò)散Zn，形成發(fā)光用的P-N結(jié)。當(dāng)基板單晶采用GaP時，由P-N結(jié)（x=0.55的GaAs1-xPx單晶）發(fā)出的峰值波長為650nrn的光受基板單晶的吸收少，從而可提高LED的發(fā)光效率，其發(fā)光效率在批量生產(chǎn)的情況為0.2％，而最高可達(dá)0.5％。對于GaAsP以及GaP紅色LED來說，隨著GaP基板單晶生長技術(shù)的完善，發(fā)光層結(jié)晶性的提高以及摻雜技術(shù)的改進(jìn)，其發(fā)光效率不斷提高，輝度年年都有改進(jìn)。隨著批量生產(chǎn)技術(shù)的不斷完善，上述兩種紅色LED的價格都降到較低的水平。發(fā)光二極管(LED)第61頁/共104頁624.4GaAsP系橙色、黃色LED

采用GaAsP的橙色·黃色LED，其基板單晶為GaP，利用VPE法形成發(fā)光用的P-N結(jié)。當(dāng)GaAs1-xPx的組成比x與紅色LED的相比逐漸變大時，發(fā)光波長會向短波長方向轉(zhuǎn)變。與此相伴，為了改善其能帶結(jié)構(gòu)為間接遷移型的缺點，摻入1018m-3的氮作為等電子捕集器發(fā)光中心，以提高其發(fā)光效率。x值為0.65及0.75時，分別對應(yīng)發(fā)光峰值波長為630nrn及610nrn的橙色LED，其發(fā)光效率大致在0.3％～0.6％。隨著x的進(jìn)一步增加，對應(yīng)發(fā)光峰值波長為590nrn（x=0.85）及583nrn（x-0.90）的黃色LED，但其發(fā)光效率減小到0.1％～0.2％左右。發(fā)光二極管(LED)第62頁/共104頁634.5GaAlAs系LED

Ga1-xAIxAsLED為發(fā)光峰值波長為660nm的紅色LED，它是為了克服前述的GaP及GaAsP紅色LED因達(dá)到飽和，輝度難以提高的缺點而開發(fā)的。如圖7-15所示，在X<0.35（直接遷移型）的范圍內(nèi)，隨著改變AI與As的組成比，Ga1-xAIxAs的發(fā)光峰值波長可從640nm到900nm的范圍內(nèi)變化。外延生長采用通常的LPE法，由于與GaAs基板單晶的晶格匹配性好，生長層的晶體缺陷少。發(fā)光二極管(LED)第63頁/共104頁64

為了改善發(fā)光效率，在Al的組分高、帶隙寬的GaAIAs中，采用了光取出效率較高的單異質(zhì)結(jié)（SH）結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上還進(jìn)一步開發(fā)了將發(fā)光層夾于其間，將載流子封閉于發(fā)光層之內(nèi)的雙異質(zhì)結(jié)（DH）結(jié)構(gòu)。對基板單晶也采取了措施，例如不采用GaAs，而是采用對于發(fā)光峰值波長（660nm）透明的GaAIAs等，以提高光的取出效率。發(fā)光二極管(LED)第64頁/共104頁65

由于采取了上述一系列措施，發(fā)光效率獲得驚人的提高，以批量生產(chǎn)的外部量子效率（發(fā)光效率）為例，采用SH結(jié)構(gòu)的可達(dá)3％（軸上光度500mcd，20mA），采用DH結(jié)構(gòu)的可達(dá)15％（軸上輝度3000mcd，20mA）。因此，其應(yīng)用領(lǐng)域正在向汽車用的高亮度后制動信號燈及道路狀況顯示板、廣告牌等室外用的各種顯示器擴(kuò)展。發(fā)光二極管(LED)第65頁/共104頁66發(fā)光二極管(LED)第66頁/共104頁674.6InGaAlP系橙色、黃色LEDInGaAIP是近年來達(dá)到實用化的混晶材料，具有直接躍遷型能帶結(jié)構(gòu)。利用這種材料可以提高橙·黃色LED的輝度。特別是，由InP與Ga1-xAIxP構(gòu)成的In0.5(Ga1-xAIx)0.5P混晶，與GaAs基板單晶的晶格匹配，混晶比x從0到0.6前后（對應(yīng)的發(fā)光波長從660nrn到555nm）為直接遷移型，因此可期望制作出從紅色到綠色范圍相當(dāng)寬的高發(fā)光效率LED。

發(fā)光二極管(LED)第67頁/共104頁68

采用上述InGaAIP已開發(fā)出高輝度（光度1000mcd以上）橙色（約620nm）LED。晶體生長采用減壓MOCVD，并形成雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。同時，為了提高內(nèi)部發(fā)光效率，需要采用最佳雜質(zhì)濃度及平面度、平整度要求嚴(yán)格的基板單晶。發(fā)光二極管(LED)第68頁/共104頁69

圖7-16為InGaAIP橙色LED元件的斷面結(jié)構(gòu)，圖7-17表示其發(fā)光光譜。對于黃色LED（波長590nm）來說，在研究階段就已經(jīng)達(dá)到與橙色LED相同程度的光度（1000mcd）特別是最近，在采用光阻斷基板的同時，通過在元件內(nèi)部形成電流擴(kuò)散層及黑色反射層等，已開發(fā)出發(fā)光峰值波長566nrn，光度800mcd的黃綠色LED。發(fā)光二極管(LED)第69頁/共104頁70發(fā)光二極管(LED)第70頁/共104頁714.7GaN系藍(lán)色LED

GaN具有直接躍遷型能帶結(jié)構(gòu)，從發(fā)光效率來說占有優(yōu)勢，但是存在難以獲得大塊基板單晶、很難制作P型單晶等問題。為此，采用VPE法，在藍(lán)寶石基板單晶上生長N型GaN，在其單晶生長面上通過擴(kuò)散Zn形成I層，由此得到了具有MIS結(jié)構(gòu)的藍(lán)色LED，其發(fā)光效率為0.03％，當(dāng)電流為10mA時軸上光度達(dá)到10mcd。但是存在重復(fù)性很差等不少問題，為了實現(xiàn)高輝度需要提高材料的結(jié)晶性以及降低工作電壓等，必須采取新的單晶生長方法來制造。發(fā)光二極管(LED)第71頁/共104頁72

為此，采用MOVPE法在藍(lán)寶石基板單晶上以低溫沉積的氮化鋁（AIN）為緩沖層，進(jìn)行GaN的生長，獲得了質(zhì)量比較高的單晶體。有人進(jìn)一步通過電子束照射處理，證明此法對受主雜質(zhì)的活性化十分有效，并且首先制成了顯示P型電導(dǎo)性的GaN單晶體。這種單晶體是將摻雜有鎂（Mg）的高電阻率GaN（GaN：Mg）經(jīng)電子束照射，使其電氣特性發(fā)生變化，由此獲得電阻率大致為數(shù)十歐·厘米的P型單晶。這種GaN層的P型化，通過熱退火處理也可以實現(xiàn)，而且用GaN代替AlN作緩沖層，可以獲得更高載流子濃度的P型層。發(fā)光二極管(LED)第72頁/共104頁73

基于上述技術(shù)，最近GaN系藍(lán)色LED的特性得到明顯提高。據(jù)報道，由于在發(fā)光層中采用了由InGaN構(gòu)成的DH結(jié)構(gòu)，在發(fā)光波長450nrn的藍(lán)色LED中，光度已達(dá)到2500mcd；在發(fā)光波長500nm的藍(lán)綠色LED中，光度已達(dá)2000mcd。上述數(shù)據(jù)已與目前采用GaAIAs的高輝度紅色LED的亮度不相上下，而比市售綠色LED的亮度還要高，實現(xiàn)了人們多年來一直追求的目標(biāo)。圖7-18給出具有InGaN／AIGaN雙異質(zhì)結(jié)（DH）結(jié)構(gòu)的藍(lán)色LED的示意圖。發(fā)光二極管(LED)第73頁/共104頁74發(fā)光二極管(LED)第74頁/共104頁754.8SiC藍(lán)色LED

在最早投入市場的藍(lán)色LED中用的材料就是SiC，與其他材料不同的是，SiC比較容易獲得P型單晶。SiC藍(lán)色LED的發(fā)光輝度，與紅色、綠色LED等相比，還略遜一籌，但隨著單晶生長技術(shù)的改進(jìn)，其發(fā)光效率正在逐步提高。在LED的制作中，基板單晶采用6H型的SiC，利用LPE法或VPE法制作P-N結(jié)。最近，通過采用SiC基板單晶，在1700℃上下形成P-N結(jié)，以提高材料的結(jié)晶性，在精確控制的條件下，利用氮施主和Al受主形成D-A對發(fā)光中心，在可靠性提高的同時，其發(fā)光效率獲得飛躍性的提高，輝度已達(dá)到30mcd（20mA）。這種SICLED的制作工序如圖7-19所示。發(fā)光二極管(LED)第75頁/共104頁76

關(guān)于SiC大型基板單晶的生長，一般采用真空升華法，需要2300oC的高溫，以多晶SiC為原料并置于高溫端，而在低溫端設(shè)SiC籽晶，可以長成高20mm的SiC單晶。采用這種方法還能獲得具有N型或P型電導(dǎo)性的單晶體。據(jù)報道，已有長成直徑34mm，高14mm的N型SiC單晶。顯然，基板單晶生長技術(shù)的進(jìn)展對于促進(jìn)SiC藍(lán)色LED的批量化生產(chǎn)是極為重要的。從目前的發(fā)展趨勢看，SiC藍(lán)色LED今后在提高發(fā)光效率、改善工藝、降低價格等方面會出現(xiàn)快速的發(fā)展。發(fā)光二極管(LED)第76頁/共104頁77發(fā)光二極管(LED)第77頁/共104頁784.9II-VI族藍(lán)色LED

在II-VI族化合物中，ZnSe、ZnS室溫下的能隙寬度分別為2.7eV和3.7eV，而且為直接遷移型半導(dǎo)體材料，極有希望用于高發(fā)光效率的藍(lán)色LED，而且近年來已獲得十分顯著的進(jìn)步。晶體生長方法以MBE和MOCVD為主，由于屬于低溫生長而且可保持原料的純度，從而能獲得優(yōu)質(zhì)的單晶體，而且，雜質(zhì)的摻雜可精確控制。上述因素為其在LED中的應(yīng)用創(chuàng)造了很好的條件。目前，II-VI族化合物半導(dǎo)體LED的制作尚處于研究開發(fā)階段，但有報告指出，采用ZnSe基板的試制品具有相當(dāng)高的發(fā)光效率。為了使采用II-VI族半導(dǎo)體材料的短波長發(fā)光器件達(dá)到實用化，還有不少問題需要解決，如與P型層間歐姆電極的制作，提高器件的可靠性，降低價格等，都需要進(jìn)一步研究開發(fā)。發(fā)光二極管(LED)第78頁/共104頁794.10全彩色LED

目前，由全彩色LED構(gòu)成的大屏幕顯示器正在試制中，一般是由SiC或GaN等藍(lán)色LED與由其他材料構(gòu)成的紅、綠色LED相組合，構(gòu)成混合型全彩色LED泡。最近各國都在采用前述的高發(fā)光效率的SiC藍(lán)色LED，GaP紅色及綠色LED，并做成LED泡，制成包括純白色發(fā)光在內(nèi)的可以多色發(fā)光的全彩色LED。圖7-20表示全彩色LED顯示泡的結(jié)構(gòu)，圖7-21表示全彩色LED在CIE色度圖上的發(fā)光色度坐標(biāo)。為做成產(chǎn)品，需要進(jìn)行封裝，包括引線鍵合，澆注或模壓透明樹脂，采取相應(yīng)的散熱措施，引出電極等。由這種全彩色LED矩陣布置構(gòu)成大屏幕顯示器，顏色鮮明、醒目，具有比一般顯示器更接近自然的色彩，作為高品位信息及圖像顯示器具有良好的發(fā)展前景。發(fā)光二極管(LED)第79頁/共104頁80發(fā)光二極管(LED)第80頁/共104頁814.11紅外LED

盡管紅外LED的用途與普通顯示器的用途不同，在此也略加介紹。紅外LED的材料主要是GaAs，P型及N型雜質(zhì)都用Si，通過改變LPE單晶生長的條件，可控制Si原子的置換位置（置換Ga原子或As原子），并由此形成P-N結(jié)。相應(yīng)于這種情況，發(fā)光由深受主能級與導(dǎo)帶間的遷移引起，與GaAs的帶隙相對應(yīng)，發(fā)光波長是相當(dāng)長的，發(fā)光效率很高，接近20％，但響應(yīng)速度慢。作為不需要高速響應(yīng)的光耦合器、光分離器等復(fù)合光學(xué)器件應(yīng)用更為廣泛。對于要求高速響應(yīng)的情況，在犧牲發(fā)光效率的情況下，或采用Zn擴(kuò)散的LED，或者由GaAIAs構(gòu)成的DH結(jié)構(gòu)。在這種情況下，波長降為900nm或更低。此外，最近在照相機(jī)的自動聚焦等需要高輸出的場合，以及遠(yuǎn)程控制用光源等，都在使用帶有由GaAIAs制作的DH結(jié)結(jié)構(gòu)的高輸出型紅外LED。發(fā)光二極管(LED)第81頁/共104頁82

LED在我們的日常生活中屢見不鮮，廣泛應(yīng)用于家用電器、音響設(shè)備、汽車及照相機(jī)等產(chǎn)品中。在這些產(chǎn)品中，LED或者用作顯示元件，通過顏色、數(shù)字、文字、符號等顯示機(jī)器設(shè)備的工作狀態(tài)，向使用者提供必要的信息，或者用作各種用途的發(fā)光光源。在一些發(fā)達(dá)國家，LED顯示器的應(yīng)用更為普遍。從小店鋪的營業(yè)標(biāo)志到大商場的商品廣告，從加油站的價目牌到大飯店的大廳壁畫以及鬧市區(qū)的公共告示牌、運動場的比賽成績顯示板等都在應(yīng)用LED，其顯示鮮明、醒目，動態(tài)效果極好。在交通運輸領(lǐng)域的應(yīng)用有自動售票機(jī)、進(jìn)站自動檢票口的信息顯示，火車車廂內(nèi)到站站名、時刻顯示、站內(nèi)列車時刻表、到達(dá)和發(fā)車車次顯示板等。在公路兩旁，都設(shè)有采用LED的夜間交通指示標(biāo)志、交叉路口路標(biāo)指示、前方道路通行狀態(tài)顯示等，由于大型動態(tài)的紅、黃色LED顯示板極為鮮明、醒目，無疑為汽車司機(jī)提供了很大的方便。下面，針對LED在顯示器中的基本應(yīng)用，分別加以簡單介紹。發(fā)光二極管(LED)第82頁/共104頁835.1指示燈

在LED的應(yīng)用中，首先應(yīng)舉出的是各種類型的指示燈、信號燈等。以前，作為顯示用光源，一直采用普通鎢絲白熾燈泡，但存在耐振性差、易破碎等問題。隨著LED的登場，特別是鑒于LED的許多優(yōu)點，指示燈目前正處于更新?lián)Q代中。通常，LED的壽命在數(shù)十萬小時以上（在規(guī)定的使用條件下），為普通白熾燈泡的100倍以上。而且具有功耗小、發(fā)光響應(yīng)速度快、亮度高、小型、耐振動等特點，在各種應(yīng)用中占有明顯優(yōu)勢。發(fā)光二極管(LED)第83頁/共104頁845.2數(shù)字顯示用顯示器利用LED進(jìn)行數(shù)字顯示，有點矩陣型和字段型兩種方式。點矩陣型如圖7-25所示，使LED發(fā)光元件縱橫按矩陣排列，按需要顯示的文字只讓相應(yīng)的元件發(fā)光。為進(jìn)行數(shù)字顯示，每個數(shù)字通常需要7行5列的矩陣，共35個元件。除數(shù)字之外，還可顯示漢語拼音字母、英文字符、羅馬字符、日文片假名等，其視認(rèn)性也很好。但是，從驅(qū)動的簡便性及價格等方面考慮，筆段型顯示方式更為有利。發(fā)光二極管(LED)第84頁/共104頁85發(fā)光二極管(LED)第85頁/共104頁86

筆段型數(shù)字顯示器如圖7-26所示，在LED芯片的周圍設(shè)置反射框，芯片上方或者裝有光擴(kuò)散用的散擴(kuò)片，或者通過混有光擴(kuò)散劑（三氧化二鋁的微細(xì)粉末等）的環(huán)氧樹脂，將芯片與其周圍的結(jié)構(gòu)模注在一起，則由一個LED即可構(gòu)成長方形的均勻發(fā)光面。反射框所圍的LED作為一個筆段單位，大小可以變化，由此可以形成任意尺寸的數(shù)字顯示元件。筆段型顯示中，多數(shù)為7筆段型及16筆段型（見圖7-27）發(fā)光二極管(LED)第86頁/共104頁87發(fā)光二極管(LED)第87頁/共104頁885.3陣列顯示器

將筆段顯示用的反射框按各種各樣的形式直線排列，可對各種變化的量進(jìn)行連續(xù)顯示，如果再使用不同發(fā)光顏色的LED芯片，則可以對大量信息進(jìn)行全彩色連續(xù)顯示。音響設(shè)備用的分頻音量水平顯示器（見圖7-29）以及汽車用平面轉(zhuǎn)速顯示器等都是采用陣列顯示器的實例。發(fā)光二極管(LED)第88頁/共104頁89發(fā)光二極管(LED)第89頁/共104頁905.4單片型平面顯示器

單片型LED顯示元件是在同一基板單晶上使發(fā)光點形成字段狀或矩陣狀的平面顯示元件。這種顯示元件的特點是，在保證高密度像素的前提下，可實現(xiàn)超小型化，其新的用途會不斷得到開發(fā)。圖7-30是單片型GaP綠色LED平面顯示元件的結(jié)構(gòu)（點矩陣型）的實例。每個發(fā)光部分的尺寸及節(jié)距分別是0.23mmX0.23mm，及0.28mm，在11.2mmX11.2mm大小的單晶表面上可形成40×40=1600個像素。發(fā)光二極管(LED)第90頁/共104頁91發(fā)光二極管(LED)第91頁/共104頁925.5混合型平面顯示器

混合型平面顯示器與單片型不同，是在組裝基板上使每個LED芯片排列成矩陣狀，構(gòu)成顯示元件。當(dāng)用于大型畫面時，通常3000～4000個像素構(gòu)成一個模塊，在實裝基板的背面設(shè)置驅(qū)動回路，按瓦塊狀排列。例如，利用GaP多色LED芯片，該芯片可發(fā)出從紅色到綠色的任何中間色的光，按96X64=6144個像素排列的平面顯示元件已達(dá)到實用化。發(fā)光二極管(LED)第92頁/共104頁935.6點矩陣型平面顯示器

目前，用于室內(nèi)或室外顯示，采用LED點矩陣型模塊的大型顯示器正在迅速推廣普及。由于采用LED點矩陣型模塊結(jié)構(gòu)，顯示板的大小可由LED發(fā)光點縱橫密排成任意尺寸；發(fā)光顏色可以是從紅到綠的任意單色，紅、綠、橙三色、多色，甚至全色；灰度可從十?dāng)?shù)階到幾十階分階調(diào)節(jié)；與專用IC相組合，也可由電視信號驅(qū)動，進(jìn)行電視、錄相顯示。

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模塊結(jié)構(gòu)可分為兩大類