LED結構及原理講述ppt課件.ppt

1、紅光LED結構：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，1.42eV，850nm附近，紅外范圍，可以通過調整Al的含量，使之在紅光范圍發(fā)光；化合物半導體中增加Al，會使bandgap變大， p型AlGaAs (大bandgap材料) ，器件為雙異質結構，即小 bandganp材料夾在2個大bandgap材料之間；隨后是一層cap layer，介電層，電極。此圖是長完累晶層后翻過來的結果，原因：基板是GaAs，1.42eV，發(fā)紅外光，只要波長短于紅外的光，它會吸收所有可見光，造成中間發(fā)光層發(fā)出的光全部被基板

2、吸掉，至少有一半的光被吸掉，所以要翻過來，在基板上挖個洞，形成top-down方式。大部分LED都是面射型。,1,也是翻過來top-down，InP為基板，1.35eV,也會吸可見光，但圖中為紅外LED。 如何看出紅外：InGaAsP：1.33-1.5eV，發(fā)光層是narrow bandgap材料，上下2個InP都是large bandgap材料，標準的雙異質結，無需再襯底挖洞，讓光出來。,2,沒有翻過來，沒有用到異質結構，簡單的pn型， GaP:N是發(fā)光層，GaP:簡介帶隙，效率不高，2.26eV，接近綠光。,3,邊射型LED,紅光結構，雙異質結，發(fā)光層為narrow bandgap材料，夾

3、在2個large bandgap材料之間， 邊射型發(fā)光不會太強，大部分光被基板吸掉。（1980年以前）,4,高亮度可見光LED,四元化合物半導體 制作方法：n-GaAs做基板，Si較少用，會有晶格不匹配問題；n-AlInP中摻鋁，帶隙擴大，發(fā)光層是MQW結構，p-AlGaP（MgII族），II族元素摻入族元素中，形成p型半導體； 兩邊為為大bandgap材料，,5,藍綠光LED通常用2種基板：藍寶石（有雜質時呈現(xiàn)藍色，無雜質時是透明的），其bandgap很大，因此可見光不會被它吸收掉。,制作方法：在外延生長之前，需使用一項非常重要的技術，緩沖層技術（buffer layer），通常要在約500

4、度低溫生長，而非1000度以上高溫。這一層質量并不好，但作用很重要。再長一層n型GaN，隨后是MQW結構做發(fā)光層，再長一層p型GaN,再接上電極（contact）， N型電極不能接在下面，必須有兩個front contact，原因？,6,制造過程 結構特點（電極） 好處是什么,7,不用犧牲一部分發(fā)光區(qū)域，SiC基板導電。,有什么問題,8,早期紅黃光LED,GaP/AlGaInP/GaAs absorbing substrate：GaAs,9,5-10um的薄膜,20-50um,光到下面后，會被金屬反彈回來,VPE（Vaporous phase epitaxy) 氣相外延生長,10,None a

5、bsorbing red yellow LED結構，假設是GaP基板,不加窗口層，直接把p-type contact electrode接在上面,產(chǎn)生問題：接觸電極很薄，電流來不及散開，直接向下流,11,電流不散開，集中在金屬電極的下面，電流密度會非常高，致使光電轉換效率下降（經(jīng)驗：物理曲線數(shù)值增大到一定程度，就會趨緩，達到飽和）。原因:可能是熱效應，也可能是其它飽和效應，使光電轉換效率開始衰竭。因此，不希望在某個特定區(qū)域，電流密度太高。 如果電流無法散開，過于集中在金屬電極區(qū)域，會使絕大部分的發(fā)光也集中在金屬電極區(qū)域下方，當光打到金屬接觸區(qū)域時，會被擋住，使光線無法散開。 如何使光能夠散開？

6、,12,with window layer,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。因為這一層很厚，電流有足夠的機會散開。 散開之后的作用： 1、使各點的電流密度降低，光電轉換效率就可以提高； 2、使發(fā)光區(qū)域變大，被上面金屬擋住的區(qū)域所占比例就會減小，LED發(fā)光效率就會有較大提升。,13,High Brightness Blue LEDs,藍寶石基板、低溫生長緩沖層（累晶質量不太好）、高品質n-GaN、大bandgap材料、中間夾MQW結構（InGaN是narrow bandgap區(qū)域，GaN是large bandgap區(qū)域，長5-10個周期）、再長large bandgap

7、p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。,14,15,此結構遇到一個問題：電流散不開，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？,16,無法加很厚的窗口層。原因：藍寶石基板和GaN晶格不匹配，在1000度長完晶后，降溫過程中，外延層開始彎曲，因此，上面的累晶層不能長太厚，事實上，其總厚度大約在5um以下，藍寶石的厚度在大約300-400um之間；如果累晶層厚度超過10或20um，冷卻后，彎到一定程度，累晶層就會裂開，因此，無法長很厚的GaN 窗口層，要解決此問題，必須想其他辦法。 p

8、-contact下面長一層特殊材料：會導電，又能透過可見光。 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)新問題，其導電能力會迅速下降，電流散開的能力會隨之降低。 B、ITO（透明導電材料）,17,High Brightness LEDs on CIE Chromaticity Diagram（RGBLED都包括） 高亮度LED在色坐標圖中的標準位置,18,R,G,B三色LED的光譜分布圖：紅光LED的半高寬，即波長分布最窄；綠光LED半高寬較寬；藍光LED的半高寬介于二者之間。 因為不是很理想的單一波長的光，因此不會剛好落在色坐標圖邊緣上。 紅光的半高寬小，離邊緣近

9、； 綠光偏向中間，525、505、498nm，；另外，設計色坐標時，綠光被刻意拉大也是一個原因；藍光也比較靠近邊緣。 626,615,605,590.為p：最高強度所對應的波長。,19,20,21,22,23,LED芯片介紹,1、 LED芯片分類介紹 2、 不同結構LED芯片的性能簡介 3、垂直結構LED芯片的制成,24,Led芯片的結構,LED芯片有兩種基本結構，水平結構（Lateral）和垂直結構（Vertical）。橫向結構LED芯片的兩個電極在LED芯片的同一側，電流在n-和p-類型限制層中橫向流動不等的距離。垂直結構的LED芯片的兩個電極分別在LED外延層的兩側，由于圖形化電極和全部

10、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LED外延層，極少橫向流動的電流，可以改善平面結構的電流分布問題，提高發(fā)光效率，也可以解決P極的遮光問題，提升LED的發(fā)光面積。 制造垂直結構LED芯片技術主要有三種方法： 一、采用碳化硅基板生長GaN薄膜，優(yōu)點是在相同操作電流條件下， 光衰少、壽命長，不足處是硅基板會吸光。 二、利用芯片黏合及剝離技術制造。優(yōu)點是光衰少、壽命長，不足 處是須對LED表面進行處理以提高發(fā)光效率。 三、是采用異質基板如硅基板成長氮化鎵LED磊晶層，優(yōu)點是散熱 好、易加工。,25,目前主流Led結構剖析,26,兩種芯片發(fā)光形式,27,水平型結構Led出光路線,2

11、8,垂直型芯片性能介紹,由于當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芯片為代表特點主要是： 光效高：最高可達 161 lmw，節(jié)能； 電壓低：藍光在2.93.3V； 熱阻小：芯片本身的熱阻小于 1 C/W; 亮度高：由于采用垂直結構，電流垂直流動，電流密度均勻， 耐沖擊型強；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構的芯片。,29,水平型芯片性能介紹,水平型產(chǎn)品以普瑞芯片為代表，芯片的主要特點是： 光效一般：最高在 100 lmw左右； 電壓高

12、：藍光在3.44V； 熱阻高：使用藍寶石襯底導熱性差。芯片本身的熱阻在 46 C/W; 亮度一般：由于采用水平結構，電流橫向動，電流密度不均，容易局 部燒壞；為彌補這一缺陷，在芯片的上表面做ITO.ITO將以 減少出光為代價。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%的光從側面發(fā)出，靠反射來 達到出光，利用率低。 唯一的優(yōu)點就是：便于集成封裝。不過，它也是缺點，由于沒解決好散 熱，所以集成封裝只有加速它的衰減，不可取。,30,垂直芯片的制成,31,垂直芯片剖析,32,垂直LED制造的方法,制造垂直結構LED芯片有兩種基本方法： 一、剝離生長襯底； 二、不剝離

13、生長襯底 。 其中生長在砷化鎵生長襯底上的垂直結構GaP基LED芯片有兩種結構： 一、不剝離導電砷化鎵生長襯底：在導電砷化鎵生長襯底上層 迭導電DBR反射層，生長 GaP 基LED外延層在導電DBR反 射層上。 二、剝離砷化鎵生長襯底：層迭反射層在GaP基LED外延層上， 鍵合導電支持襯底，剝離砷化鎵襯底。導電支持襯底包括， 砷化鎵襯底，磷化鎵襯底，硅襯底，金屬及合金等。,33,34,35,四元DBR材料,36,MQW LED器件結構示意圖,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,左：p-type large

14、 bandgap 材料 右：n-type large bandgap 材料,有源層：narrow badgap 材料，通常摻雜濃度很低,電子和空穴分別從左右兩端進入有源層，其擴散長度會比有源層厚度（如0.22um）大很多，表示載流子會很均勻地分布在narrow bandgap 材料中； 由于電中性的要求，因此額外的電子和空穴數(shù)應該相等（n=p）：通常有源層摻雜濃度很低，相對而言，注入的載流子數(shù)目非常多，因此以上等式成立，,58,59,量子阱（QW）是指由2種不同的半導體材料相間排列形成的、具有明顯量子限制效應的電子或空穴的勢阱。,60,多量子阱結構優(yōu)勢：,1、在MQW結構中，電子和空穴的波函數(shù)

15、重疊較多，因此其輻射復合的效率較高； 2、在DH結構中， narrow bandgap材料形成的發(fā)光區(qū)不會長得太窄，否則會使發(fā)光區(qū)域變小，影響發(fā)光效率；也不能長得太寬，否則會超過載流子擴散長度，通常0.5-5um；如果中間的narrow bandgap材料和兩邊的large bandgap材料晶格不匹配，長晶后，材料會產(chǎn)生很多缺陷，使發(fā)光效率下降； 用MQW結構，中間narrow bandgap層可以做的很薄，晶格不匹配的影響很小，不會產(chǎn)生缺陷；如InGaN剛好發(fā)出藍、綠光，兩邊large bandgap材料用GaN，但它們之間的lattice constant 不匹配，可以使InGaN長得很

16、薄，兩邊材料長得很厚，材料不會產(chǎn)生松弛、開裂，但發(fā)光強度不夠，因此采用MQW結構，長很多層。材料間晶格不匹配時，要考慮用MQW結構。,3、利用MQW結構，可以使發(fā)出光子的能量有效增加。 當形成QW結構時，能量會被量子化，能夠有效提高載流子結合放出的能量。特別地，需要調節(jié)bandgap時，經(jīng)常使用Al，以實現(xiàn)所需色彩，但加Al后材料會趨近或變成間接帶隙，發(fā)光性能下降。 可以做成MQW結構，利用調變MQW的寬窄，可以調節(jié)禁帶大小。,61,4、MQW使有源層變薄，避免了內部的自我吸收。 有源層產(chǎn)生的光子，在發(fā)出去之前，在有源層有可能被再吸收掉（發(fā)光區(qū)是narrowbandgap材料，而局域層是large bandgap），不會被吸上去。有源層變薄后，可以減少光的吸收。 5、MQW發(fā)光光譜和I-V特性不易受溫度影響，即