LED原理培训教程PPT课件

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1、發光二極管簡介發光二極管簡介惠州富济先进材料有限公司 LED导电胶、硅胶、陶瓷板等原材料供应商联系人：王先生 联系电话：第一章：第一章：LED原理简介原理简介惠州富济先进材料有限公司 LED导电胶、硅胶、陶瓷板等原材料供应商联系人：王先生 联系电话：發光二極管特性發光二極管特性o發光二極管簡稱LED(Light Emitting Diode)oLED優點l重量輕,體積小l壽命比燈泡長十倍以上l耗電量比燈泡低1/3以上l點燈速度快l色彩鮮明,辨識性優l耐震動惠州富济先进材料有限公司 LED导电胶、硅胶、陶瓷板等原材料供应商联系人：王先生 联系电话：半導體概述半導體概述l導電性介於導體與絕緣體之間

2、l電阻因溫度或摻質濃度而改變l半導體以自由電子或空穴為導電載子lP型半導體以空穴導電lN型半導體以自由電子導電l例如Si,Ge等材料惠州富济先进材料有限公司 LED导电胶、硅胶、陶瓷板等原材料供应商联系人：王先生 联系电话：半導體原子間鍵結半導體原子間鍵結l原子核最外層電子數達到8個時最穩定l例如，Si原子最外層有四個電子，當數個Si原子間鍵結時，則外層達到8個電子而形成穩定狀態化合物半導體化合物半導體l化合物半導體(Compound Semiconductor)l由週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lIII-V族化合物：光電半導體業最廣泛應用之材

3、料l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l三元化合物：由三個元素形成之化合物l例如：AlGaAs(III,III,V)及GaAsP(III,V,V)三族及五族總莫耳數比需為1:1AlxGa1-xAs =x AlAs +(1-x)GaAsGaAsYP1-Y =Y GaP +(1-Y)GaAsl四元化合物：由四個元素形成之化合物l例如：AlGaInP(四元高亮度LED主要發光材質)Al1-X-YGaXInYP =(1-X-Y)AlP +X GaP+YInP導電載子種類導電載子種類l主要導電載子為電子及空穴l半導體因溫度(

4、加熱)或外加電場(通電)使外層電子脫離原子核束縛l電子脫離原子核後，原來的空位則形成空穴溫度電場電子空穴電子及空穴電子及空穴l電子帶負電，空穴帶正電l電子與空穴移動方向相反空穴空穴向左 移動電子向右移動l半導體內有許多電子與空穴移動，電子尋找空穴之位置填補空位電子位置A空穴位置BP型及型及N型半導體型半導體lP型半導體(主要導電載子為空穴)lN型半導體(主要導電載子為電子)l費米Level：導電載子佔住此能階之機率密度為1/2導電帶價電帶P型能階圖空穴空穴能階電子費米LevelN型能階圖費米LevelPN型接合面型接合面(PN junction)lP型與N型半導體材料接合時，兩者費米level

5、會重疊接合P型能階圖N型能階圖PN型接合面型接合面(PN junction)lP型與N型半導體材料接合時，兩者費米level會重疊P型材料N型材料PN接合面費米Level能障Egl電子及空穴需越過能障才通過接合面接合面順順向偏壓向偏壓l順向偏壓為P型材料接正極，N型材料接負極l順向偏壓可降低接合面之能障，使電子及電洞愈容易通過PN接合面P型N型EcEvPN+_順向偏壓VFVFEgV=Eg-VFV逆向偏壓逆向偏壓l逆向偏壓為P型材料接負極，N型材料接正極l逆向偏壓將增加接合面之能障，使電子及電洞愈難通過PN接合面P型N型EcEv+PN_逆向偏壓VRVVREgV=Eg+VR惠州富济先进材料有限公司

6、 LED导电胶、硅胶、陶瓷板等原材料供应商联系人：王先生 联系电话：發光二極管發光二極管lP型與N型半導體材料接合時則形成一般的二極管l二極管具有單向導電功能l通順向偏壓降低接合面能障，可使二極管導電l導電時，二極管P側空穴與N側電子通過接合面，造成電子與空穴於接合面結合l空穴與電子之結合時，會以光或熱的形式釋出能量l以光形式釋出能量者稱為發光二極管LED發光原理發光原理l電子與空穴之復合l能階之躍遷導電帶價電帶動量能量直接能隙導電帶價電帶動量能量間接能隙l發光波長(nm)=12400Eg(eV)顏顏色區別色區別l波長與顏色的關係波長與顏色的關係l光依人眼可察覺程度可區分為光依人眼可察覺程度可

7、區分為l可見光：波長介於可見光：波長介於760nm與與380nml不可見光：波長大於不可見光：波長大於760nm或或小於小於380nml波長愈短能量愈高波長愈短能量愈高紅外紫外700650550450 400380760LED產品應用產品應用三、交通號誌四、白光照明第三剎車燈方向燈儀表顯示燈一、汽車尾燈二、通訊背光源訊號燈無線傳輸五、顯示元件全彩看板數字顯示板跑馬燈LED產品類別產品類別l外延片(Epi Wafer)lGaN(氮化鎵)lGaAs(砷化鎵)lGaP(磷化鎵)l芯片(Chip)l傳統低亮度黃綠光芯片(GaP)l四元高亮度紅光芯片(AlGaInP)l藍光芯片(GaN)l封裝l傳統燈泡

8、(Lamp)l表面黏著型(SMD)l顯示型：如點矩陣型、數字字元型及集束型上游中游下游LED外延片外延片產品規格產品規格l外延片l基本結構：外延層材質、厚度及濃度l發光材質：GaP,AlGaInP,GaNl尺寸：2“,3”l顏色：紅,黃,黃綠,藍,綠l順向偏壓(Forward Voltage)：_Vl逆向漏電流：_A 5Vl亮度(Luminous Intensity)：_mcd 20mAl波長(Dominant Wavelength)：_nml半波寬(FWHM)：_nm波長強度LED芯片芯片產品規格產品規格l芯片l發光材質：GaP,AlGaInP,GaNl尺寸l晶粒長寬：812 mill晶粒高

9、度：9.511 mill電極墊片大小：3.55 mill顏色：紅,黃,黃綠,藍,綠l順向偏壓(Forward Voltage)：_Vl逆向漏電流：_A 10Vl亮度(Luminous Intensity)：_mcd 20mAl波長(Dominant Wavelength)：_nmLWHBonding Pad陽極陰極金屬電極LED產品規格範例產品規格範例順向偏壓(V)電極材質產 品類 別Min.Typ.Max.逆向偏壓 100A(V)波長(nm)光強度.(mcd)20mA尺寸 LWH(mil.)AnodeCathode電極墊片(mil.)顏色SR5091.32.02.41063955999.5A

10、l(Au)Au alloy3.8SUPER REDSR5111.31.952.41063970111111Al(Au)Au alloy4.5SUPER REDSR5121.31.952.41063970121211Al(Au)Au alloy4.5SUPER REDYL5121.352.02.410591100121211Al(Au)Au alloy4.5YELLOWAY5121.352.02.410598100121211Al(Au)Au alloy4.5AMBERYELLOWYO5121.352.02.410611100121211Al(Au)Au alloy4.5YELLOWORANGE

11、SO5121.352.02.410621100121211Al(Au)Au alloy4.5SUPERORANGERO5121.352.02.410624100121211Al(Au)Au alloy4.5REDORANGEHR5121.352.02.41063295121211Al(Au)Au alloy4.5HYPER REDLED外延外延(上游上游)l外延(Epitaxy)：於單晶基板上沿特定方向成長單 晶晶体，並控制其厚度及摻質濃度l墊片(Substrate)：支撐成長之單晶薄膜，厚度約300350ml摻質(Doping)：摻入P型(N型)材料改變磊晶層中主要導電載子空穴(電子)濃度l

12、發光層(Active layer)：發光區，電子與空穴結合l緩衝層(Buffer layer)：緩衝外延層與墊片間因晶格差異而造成缺陷墊片緩衝層N型外延層P型外延層發光層LED外延外延(上游上游)lP型/N型披覆層(Cladding layer)l多重量子阱(MQW)l布拉格反射層(DBR,Distributed Bragg Reflector)l電流分佈層(Current Distribution layer)DBRMQWN Cladding LayerP Cladding LayerCurrent Distrib.LayerContactSubstrateLED外延外延(上游上游)l外延方

13、式l液相外延(LPE)l有機金屬氣相外延(MOCVD)MOCVD)l分子束外延(MBE)lMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)亦稱MOVPE,OMVPE,OMCVDlMOCVD為LED業界主流機台；其優點為l外延速度快：45 hrl量產能力佳：l應用領域廣：LED,LD,HBTLED外延外延(上游上游)l設備：MOCVDl攜帶氣體(Carrier Gas)：H2l原料:l墊片墊片(Substrate)：GaAs,Sapphire,InPl有機金屬氣體有機金屬氣體(MO)如TMA,TMG,TMIl其它反應氣體：其它反應氣體：NH3l氫化物氫

14、化物(Hydride)如PH3,AsH3l摻質摻質如CP2Mg,DMZn,SiH4l外延環境l高溫高溫(550 C1100 C),l低壓低壓(10600 Torr)RF加熱晶片載盤氣體噴嘴反應腔體LED芯片芯片(中游中游)l芯片製作l電極蒸鍍：減少電極電極蒸鍍：減少電極(金屬金屬)與外延片與外延片(半導體半導體)間接觸電阻間接觸電阻l金屬墊片金屬墊片Pad：導線連結導線連結l電極電極pattern：開口率：開口率,使電流擴散使電流擴散l切粒：切粒：2”外延片約切割成外延片約切割成30,000個個ChipHBonding Pad陽極陰極金屬電極LED芯片芯片製程製程(中游中游)1.下晶片研磨N-

15、基板NP4.金鈹/金蒸鍍(P)5.金-鍺蒸鍍(N)6.上光阻9.硬烤11.去光阻14.鈦/鋁前晶片清洗15.鈦/鋁蒸鍍1619.上光阻、曝光、顯影及硬烤20.金蝕刻歐姆電極製作24.上光阻Bonding Pad製作25.曝光28.MESA-蝕刻MOCVD 機台磊晶製作成LED磊晶片N-基板NP二、芯片製程一、外延製程N-基板LED封裝封裝(下游下游)l封裝目的l易搬運、持取使用l環境抵抗：溫度、濕度及震動l電性連結l光學結合：發光角度l熱傳導金屬導線(金)導線架導電墊片銀膠樹脂芯片第二章：第二章：LED结构介绍结构介绍惠州富济先进材料有限公司 LED导电胶、硅胶、陶瓷板等原材料供应商联系人：王

16、先生 联系电话：SubstrateLT-BufferlNitridation:利用高能的N原子改变了substrate的表面能，有利于nucleation；l:LT-Buffer:temperature,thickness,growth rate,the duration ramp to HT-GaN,H2 partial pressure；lAnnealing condition；研究研究LT-GaN心得心得l衬底氮化时，温度要高，时间要短；lLT-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；l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

17、降低晶核大小的分布；l高压可以增加横向生长，限制突发的晶核形成；N-GaN GrowthlMOCVD GaN生长参数:thermal cleaning temperature,GaN buffer thickness,GaN buffer growthrate,ramping rate to epilayer growth temperature,H2 partial pressure;lN-GaN中施主类型：N空位、氧、硅、锗；lun-GaN 798cm2/V 7E16cm-3 Si:GaN Mg:GaN 11cm2/V 8E17cm-3InGaN MQW外延的困难外延的困难l生长In基氮化

18、物需要高的氮平衡蒸汽压，以阻止In-N键的分解；lGaN/InGaN间的晶格不匹配（临界厚度），对于AlGaN/InGaN 影响更大；lInGaN Well&Barrier间界面质量不好控制；l高In含量下InGaN薄膜的相分离问题；惠州富济先进材料有限公司 LED导电胶、硅胶、陶瓷板等原材料供应商联系人：王先生 联系电话：MQW辐射复合机制辐射复合机制lMQW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；l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

19、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影响活性层特性的因素l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；l活性层厚度；l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；lBarrier层的Si-Doping-可以降低压电场的效应，增加量子阱的均匀性；P-GaN Growth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

20、的GaN材料；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-GaNlLEEBI(low-energy electron-beam irradiation)in N2 ambient;l外延后热处理-much simpler,cheaper and reproducible;l外延时热处理-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；l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；lN

21、2环境下生长GaN:Mg；降低降低p-GaN接触电阻的方法接触电阻的方法l用化学溶液处理wafer表面（王水）；l金属沉积并且退火（Ni/Au在空气或O2中氧化）；l利用p-GaN/AlGaN超晶格，在表面附近形成极化场；l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：第三章：LED增加亮度的方法增加亮度的方法lHow DBR Can Enhance BrightnesslWhy Roughness Can increase BrightnesslBuried micro reflectorslFlip C

22、hip MethodlMicro Disc Interconnect Surface Emitting GaN LEDlMethods（in Nan Ya）of Enhance BrightnesslOther Famous LED Maker LED StructureslFuture Work(We can invent and get patterns)Why External Efficiency is so Low?How DBR Can Enhance Brightness444Light22211GaPn-AlInPDBR(GaAs/AlAs)GaAs bufferGaAs Su

23、bstrateLT GaPMQWp-AlInPBeAu AuTi AlAuGe Ni AuWhy Roughness Can increase BrightnessIntrinsic reflection for Traditional LEDR=（3.5-1/3.5+1）2=0.31=31（Air）R=（）2=0.16=16（Expocy）Anti-Reflection Coating221221Buried micro reflectors combination of wafer bonding using metal layers and the introduction of bur

24、ied micro-reflector advantage：High Power Drive High External Efficiency Good Heat Transfer Long Life Time disadvantage：Low Throughput Process very difficultFlip Chip MethodGaAsN-confined layerQuantum wellP-confined layerWindow layerGaAsN-confined layerQuantum wellP-confined layerWindow layerDBRGaAsN

25、-confined layerQuantum wellP-confined layerWindow layerDBRGaAs Cap LayerITO LayerGood current spreadingcurrent spreading&light spreading Reflecting Backing lightcurrent spreadinglight transmissionMethods（in Nan Ya）of Enhance Brightness GaAsN-confined layerQuantum wellP-confined layerWindow layerDBRW

26、indow layerGaAsUEC StructureGaPN-confined layerQuantum wellP-confined layerWindow layerWafer BondTS BondStructureOther Famous LED Maker LED StructuresGaAsN-confined layerQuantum wellP-confined layerP-AlGaAsWindow layerDBRn currentBlockinglayerToshiba PatternStructureGaAsN-confined layerQuantum wellP

27、-confined layer50um Window layerWafer BondTS Bond MethodLED Growth on GaAsGaAs RemoveN-confined layerQuantum wellP-confined layer50umWindow layerWafer bondingN-confined layerQuantum wellP-confined layer50umWindow layerN-GaPGaPN-confined layerQuantum wellP-confined layerWindow layerWafer BondLED Chip

28、FabricationFuture Work(We can invent and get patterns)GaAsN-confined layerQuantum wellP-confined layerWindow layerDBRWindow layerAlGaAsChange UEC StructureGaAsN-confined layerQuantum wellP-confined layerWindow layerDBRGaAs Rough Cap LayerITO LayerLet GaAs SurfaceRough,then ITOChangeToshiba Pattern StructureGaAsN-confined layerQuantum wellP-confined layerP-AlGaAsWindow layerDBRGaAs Rough Cap layer惠州富济先进材料有限公司 LED导电胶、硅胶、陶瓷板等原材料供应商联系人：王先生 联系电话：惠州富济先进材料有限公司 LED导电胶、硅胶、陶瓷板等原材料供应商联系人：王先生 联系电话：