1、LED 基本原理介紹,報(bào)告人：季輝,LED,主要內(nèi)容,LED背景與發(fā)展 白光LED 半導(dǎo)體理論基礎(chǔ) 外延 LED各項(xiàng)指標(biāo),1. LED背景與發(fā)展,LED的發(fā)展,LED照明的優(yōu)勢(shì),發(fā)光效率高，節(jié)省能源 耗電量為同等亮度白熾燈的 10%-20%，熒光燈的1/2。 綠色環(huán)保 冷光源，不易破碎，沒有電磁干擾，產(chǎn)生廢物少 壽命長 壽命可達(dá)10萬小時(shí) 固體光源、體積小、重量輕、方向性好 單個(gè)單元尺寸只有35mm 響應(yīng)速度快，并可以耐各種惡劣條件 低電壓、小電流,LED應(yīng)用- Media Boards,Times Square, New York,LED Media Boards,Leicester Squ

2、are, London,LED應(yīng)用-裝飾,Colored architectural LED lighting:,The “Burj Al Arab” in Dubai,LED in interior lighting,Joint project: Osram Opto Semiconductors + Bartenbach LichtLabor GmbH,背光源,通訊產(chǎn)品,顯示器市場(chǎng),來電指示燈（Call Indicator）1顆,螢?zāi)槐彻庠矗˙acklight）24顆,按鍵背光源（Keypad）810顆,戶外大型全彩螢?zāi)?手機(jī),PDA : 取代CCFL（8顆）,數(shù)位相機(jī)（6顆）,手機(jī)用閃光

3、燈34顆,A6 TT/TTS,Vectra Corsa Tigra Astra Sintra Omega Zafira,Cars using LEDs in Brake lights,XK8 S-Type,C-, E-, S-Class CL SL SLK CLK,Golf Passat Beetle Polo Bora,323,Defender,Accord Civic,9-3 9-5,5 series 3 series Z3,Felicia,200 400 600 75,Avantime Laguna Clio,Marea,Almera Primera,607 406,V40 S40 V7

4、0 S70 C70 S80,Xantia,白光LED應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì),LED relative brightness,For 30 years, LED brightness has doubled every 18-24 months, (Haitzs Law) so now the efficiency of LEDs are an order of magnitude higher see right,高亮度LED市場(chǎng)規(guī)模和增長分析,1995-2003年高亮度LED市場(chǎng),2004-2008年高亮度LED市場(chǎng),2003年高亮度LED應(yīng)用市場(chǎng)分布,資料來源:Strategies Unlimite

5、d,2003年高亮度LED市場(chǎng)規(guī)?？傮w增長47%，達(dá)到27億美元,預(yù)計(jì)高亮度LED市場(chǎng)銷量保持30%以上的年增長率,2.白光LED,白光LED 製造方式之優(yōu)缺點(diǎn),高亮度白光LED的實(shí)現(xiàn),基于藍(lán)光LED，通過黃色熒光粉激發(fā)出黃光，組合成為白光,通過紅、綠、藍(lán)三種LED組合成為白光,基于紫外光LED，通過三基色粉，組合成為白光,白光LED技術(shù)概況,1993年GaN系藍(lán)光LED被開發(fā)出來，白光LED才成為實(shí)際可行的產(chǎn)品。 所謂白光是多種顏色混合而成的光，如二波長光(藍(lán)色光+黃色光)或三波長光(藍(lán)色光+綠色光+紅色光) 白光LED開發(fā)基礎(chǔ)在於藍(lán)光技術(shù)，目前在藍(lán)光LED技術(shù)方面以日亞化學(xué)領(lǐng)先。,第三代G

6、aN半導(dǎo)體材料特點(diǎn),寬帶隙化合物半導(dǎo)體材料，有很高的禁帶寬度（2.3 6.2eV)，可以覆蓋紅、黃、綠、藍(lán)、紫和紫外光譜范圍 ，是到目前為止其它任何半導(dǎo)體材料都無法達(dá)到的 高頻特性，可以達(dá)到300G Hz（硅為10G，砷化鎵為80G） 高溫特性，在300正常工作（非常適用于航天、軍事和其它高溫環(huán)境） 電子漂移飽和速度高、介電常數(shù)小、導(dǎo)熱性能好 耐酸、耐堿、耐腐蝕（可用于惡劣環(huán)境） 高壓特性（耐沖擊，可靠性高） 大功率（對(duì)通訊設(shè)備是非常渴望的）,一體化插入式并聯(lián)柵狀電極,一體化插入式并聯(lián)柵狀電極可以通過減小電流擴(kuò)展距離來減小擴(kuò)展電阻，從而提高發(fā)光效率,GaN基發(fā)光二極管還存在的問題,價(jià)格過高 至

7、少應(yīng)從目前的1$/個(gè)降至0.2$/個(gè) 發(fā)光效率還不夠高 至少從目前的50100lm/w提高到200lm/w 性價(jià)比低 還不到民眾普及的時(shí)刻 使用低壓直流電，與現(xiàn)有的照明系統(tǒng)不同 半導(dǎo)體照明的壽命實(shí)際上還涉及多方面的問題，與10萬小時(shí)的理論壽命有差距,第三代半導(dǎo)體材料的興起,20世紀(jì)50年代，以硅為代表的半導(dǎo)體材料為第一代半導(dǎo)體材料 20世紀(jì)90年代以來，以砷化鎵，磷化銦為代表的化合物半導(dǎo)體材料為第二代半導(dǎo)體材料 以氮化鎵GaN為代表的寬帶隙化合物半導(dǎo)體材料為第三代半導(dǎo)體材料,2.半導(dǎo)體理論基礎(chǔ),固體材料分類,固體結(jié)構(gòu),1、按照原子的排列方式，固體可以分為晶體、多晶和非晶。 2、常見的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

8、是鉆石結(jié)構(gòu)（Si, Ge），閃鋅礦結(jié)構(gòu)（GaAs），纖鋅礦結(jié)構(gòu)（GaN）。,鉆石結(jié)構(gòu),閃鋅礦結(jié)構(gòu),GaN結(jié)構(gòu),The World of Semiconductors,Elemental Semiconductors Si, Ge Binary Semiconductors Formed by combining the elements in groups III and V or groups II and VI e.g. : GaAs, InP, ZnS, etc. Ternary Semiconductors (3 materials) e.g. : (InXGa1-X)N Quater

9、nary Semiconductors (4 materials) e.g. : (InXGa1-X)(AsYP1-Y),固體能帶,形成原因：泡利不相容原理。,直接能隙和間接能隙,直接能隙,間接能隙,直接能隙對(duì)于LED的好處,直接能隙半導(dǎo)體材料發(fā)光效率高。碳化硅（SiC）同樣可以作成藍(lán)光LED，但是SiC是間接能隙材料，發(fā)光效率低，而氮化鎵（GaN）是直接能隙材料，發(fā)光效率高，成為目前藍(lán)光LED的主要材料。,電子和電洞（空穴，hole）,電子由高能量的導(dǎo)帶掉到低能量的價(jià)帶，和電洞復(fù)合，以發(fā)光的形式釋放能量。,Eg=h=h c/,摻雜(doping),摻雜半導(dǎo)體分為p型，n型。 以GaN為例，當(dāng)

10、生長時(shí)，加入SiH4，Si原子會(huì)取代Ga原子的位置，由于Ga是三價(jià)的，Si是四價(jià)的，因此多出一個(gè)電子，屬于n型摻雜。反之，加入Cp2Mg， Mg原子會(huì)取代Ga原子的位置，由于Mg是二價(jià)，因此少了一個(gè)電子（多一個(gè)電洞），屬于p型摻雜。 p型摻雜和n型摻雜可同時(shí)存在，并且由較高濃度的摻雜類型決定半導(dǎo)體的類型。,摻雜示意圖,N型摻雜,P型摻雜,pn結(jié),Pn結(jié)的電流-電壓特性曲線,3.外延,外延示意圖,incorporation and growth,wafer surface,atomic step,Example: GaAs Growth Efficiency,A - Kinetically li

11、mited growth,B - Mass transport limited growth,C - Desorption,Example: GaAs Growth Efficiency,102,103,104,Growth Efficiency m/mole,1000/T K-1,0.6,1.0,1.4,B,A,A - Kinetically limited growth,B - Mass transport limited growth,C,C - Desorption,GaN外延片生長技術(shù),HVPE（鹵化物氣相外延） MBE（分子束外延） MOCVD（有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積）,生長溫度低（

12、600oC）、可精確控制薄膜厚度和組分、p型薄膜摻雜濃度高，適于生長要求界限分明、組分控制精度高的器件結(jié)構(gòu)。 生長速率太慢,Nakamura等設(shè)計(jì)的垂直雙流MOCVD常壓反應(yīng)器,GaN-LED生長過程,Buffer U-GaN N-GaN MQW AlGaN P-GaN Contact layer,GaN-LED生長過程,GaN-based LED-SIMS,Layer Growth,MQW & X-ray,GaN,InGaN,n-GaN,P-GaN,MQW & X-ray,2d*Sin=n,Components of a Low pressure (LP) MOCVD System,gas

13、control unit,reactor with heated susceptor,vacuum system,control unit,scrubbing system,Group III MO Precursors,Group III MO Precursors - Bubblers,5.LED各項(xiàng)指標(biāo),亮度LOP,1.定義：在固定電流20mA下，器件的光強(qiáng)度。 2.亮度LOP與電壓Vf的關(guān)系：一般來說，在外延的調(diào)整上，想要增加亮度，就有可能使得Vf升高。舉例來說，增加亮度的一個(gè)方法是增加器件carrier confinement的能力，如此以來必然使得Vf上升。 3.亮度與漏電的關(guān)系：

14、顯而易見，漏電越高，亮度越低。,亮度LOP,4.亮度與波長的關(guān)系：在InGaN/GaN MQWs中，波長在450-460之間，光功率最強(qiáng)。因?yàn)楫?dāng)短波長450nm時(shí)（In較少），內(nèi)量子效率比較低，發(fā)光能力差。當(dāng)波長較長時(shí)，因?yàn)楹琁n的InGaN材料不易制作，愈是含In高的材料，其結(jié)晶質(zhì)量也會(huì)比較差，所以發(fā)光強(qiáng)度比較低。,亮度LOP,5.亮度與Vz的關(guān)系：一般來說，晶體質(zhì)量越高，亮度越高，Vz越大。 6.亮度與ESD的關(guān)系：表面粗化可以提升亮度，因此必須長比較厚的p層，根據(jù)V=E*L，因此可以有效的降低電場(chǎng)對(duì)器件的破壞。 7.亮度與老化的關(guān)系：要提高亮度，需要增加Mg，但是Mg多了會(huì)擴(kuò)散到MQWs

15、中，影響老化。,Vf,1.Vf定義：在固定電流20mA下，器件所需的電壓。 2.Vf與漏電的關(guān)系：IR越高，Vf越低。 3.Vf與波長的關(guān)系：波長越長，bandgap越窄，Vf越低。 4.Vf與Vz的關(guān)系：為了提升Vz，需要增加QW的強(qiáng)度（增加barrier厚度），會(huì)使得Vf上升。 5. Vf與ESD的關(guān)系：為了提高ESD，在工藝調(diào)整上，需要增加橫向電流擴(kuò)散，及降低電場(chǎng)對(duì)器件的破壞，因此造成Vf上升。 6. Vf與老化的關(guān)系：為了提升老化，必須在QW與p層之間長一層阻止Mg擴(kuò)散的layer，因此造成Vf上升。,漏電,1.漏電定義：反向電壓-8V下的電流。 2.漏電與Vz的關(guān)系：漏電越大，Vz越低。 3.漏電與ESD關(guān)系：漏電越大，ESD越差。 4.漏電與老化的關(guān)系：漏電越大，老化越差。,波長