LED的發光原理與芯片製造
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报告的主要内容： LED的发展，特别是芯片的发展 LED芯片的结构与发光原理 LED芯片的制造过程 LED的封装与应用 未来的展望
LED的发展，芯片的发展
发光二极管Light-Emitting Diode 是由数层很薄的掺杂半导体 材料制成。当通过正向电流时，n区电子获得能量越过PN结的 禁带与p区的空穴复合以光的形式释放出能量。 发光二极管的发展
理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽 度Ｅg有关， 即λ≈1240/Eg（mm） 式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm 红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。 现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管。
LED芯片的发光原理
光子与电子基本上具有三种交互方式：吸收，自发放射及激发放射。 原子的两能级E1和E2，E1代表基态，E2代表第一激发态。 在E1基态的原子吸收光子后跃迁至激发态E2，此能态的改变为吸收； 激发态原子非常不稳定，经过很短的时间，不需任何外力下会跳回基态而释放 出光子，此程序为自发放射； 当光子照射在激发态原子上，该原子被激发跃回基态而放出与照射原子同相释 放光子，此程序称为激发放射。
LED PN结的电性质
一般
可見光
LED
波長 450~780nm
高亮度 短波長紅外光
不可見光 光波長 850~1550nm 長波長紅外光 850~950nm
发光材料
Ⅲ-Ⅴ族及Ⅱ-Ⅵ族元素的带隙与晶格常数的关系 由图可知，这些材料的发光范围由红光到紫外线。 照明领域使用的LED有两大类，一类是磷化铝、磷化镓和磷化铟的合金（AlGaInP或 AlInGaP），可以做成红色、橙色和黄色的LED；另一类是氮化铟和氮化镓的合金 （InGaN）,可以做成绿色、蓝色和白色的LED。发光材料大部分是Ⅲ-Ⅴ族。
•Diffusion •Photolithography •Metallization •Dicing •Die-Mount •Wire-Bond •Encap •Final Test 產 品
*發光二極體晶粒 *光二極體晶粒 *光電晶體晶粒
日本: Nichia, Toyota Gosei 美国: Lumileds, Cree 欧洲: Osram 台湾:晶元,光磊,元砷,廣鎵,華上,燦圓,… 大陆: 三安,聯創,路明,..
能源问题已成为当今人类社会的热门话题，节约能源与环保问 题日趋提上议程。节能应成为各国的城市照明建设需要考虑的重 要问题之一，目前约有21%的电源用于照明，如果能在固体照明 领域节省一半的能源，则会对人类的节约能源作出巨大的贡献。 20世纪中叶出现在市场上的第一批LED产品，经过50多年的发 展历程，在技术上已经取得了长足的进步。现在，LED的平均发 光效率已达到了70lm/W（流明/瓦特），其光强已达到了烛光级， 辐射光的颜色形成了包含白光的多元化色彩，并且寿命可达到数 万小时。特别是在最近几年，LED的产品质量提高了近10倍，而 制造成本已下降到早期的十分之一。这种趋势还在进一步的发展 之中，从而使LED成为信息光电子新兴产业中极具影响力的新产 品。世界各个国家均积极参与研发工作。
0,9 0,8
W = White (GaN)
(x=0.32/y=0.31)
Yellow
Y = Yellow (InGaAlP) 587nm
年代 1965 1968 1971 80年代 发光颜色 红 橙、黄 绿 红 材料 Ge 发光效率lm/w 0.1 1 1 10
发光效率 lm/w 12.5 55
GaAsP GaP AlGaAs
90年代初
红、黄
蓝、绿 蓝
GaAlInP
GaInN
GaN
100
50 200
90年代
90年代
可见光LED的发展史
發光二極體產業結構
相關廠商
上 游 材 料 中 游 製 程 下 游 封 裝
•Substrate •LPE •VPE •MOVPE
•單晶材料--GaAs, GaP •磊晶片--GaAs, AlGaAs, GaAsP, AlGaInP •製造設備--LPE, VPE, MOVPE 晶 粒
日本: Nichia, Toyota Gosei（丰田合成） 美国: Lumileds, Cree 欧洲: Osram 台湾:晶元,元砷,廣鎵,華上… 大陆: 三安,聯創,路明,..
•LED Lamp •SMD LED •Chip LED •IRLED •Back Light •Light Source
•Cluster Lamp •Clock Display •Dot Matrix •7-Segment •Numeric Display •Photocoupler
光寶 億光 興華 今台 佰鴻 先益 光鼎 李洲 立基 琭旦 华郎 伊莱 三永 茂纶 ……
光输出 N-AIyGa1-yAs P- GaAs
反型异质结
同型异质结
P-AIxGa1-xAs
双异质结半导体发光二极管的结构示意图
LED在内部结构上有和半导体二极管相似的P区和N区，相交界面形成PN结。 LED的电流大小是由加在二极管两端的电压大小来控制的。 LED是利用正向偏置PN结中电子与空穴的辐射复合发光的，是自发辐射发光， 发射的是非相干光。
(a)直接带隙
(b)间接带隙
图（a）是直接带隙材料，包括GaN-InN-AlN、GaAs、InP、InAs及GaAs等 图（b）是间接带隙材料，包括Si、Ge、AlAs及AlSb等 目前发光二极管用的都是直接带隙的材料。
CIE色度图
White Blue
B = Blue (InGaN) B = Blue (GaN) 470nm 466nm
LED的优点
发光效率高，节省能源
耗电量为同等亮度白炽灯的 10%-20%，荧光灯破碎，没有电磁干扰，产生废物少
寿命长
寿命可达10万小时
固体光源、体积小、重量轻、方向性好
单个单元尺寸只有3~5mm
响应速度快，并可以耐各种恶劣条件 低电压、小电流