LED结构及原理讲述(课堂PPT).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,红光LED结构：从上向下看，n型砷化镓基板、n型AlGaAs(大bandgap材料)、p型活跃层（小bandgap材料），即发光层，决定发光波长，1.42eV，850nm附近，红外范围，可以通过调整Al的含量，使之在红光范围发光；化合物半导体中增加Al，会使bandgap变大，p型AlGaAs(大bandgap材料)，器件为双异质结构，即小 bandganp材料夹在2个大bandgap材料之间；随后是一层cap layer，介电层，电极。此图是长完累晶层后翻过来的结果，原因：基板是GaAs，1.42eV，发红外光，只要波长短于红外的光，它会吸收所有可见光，造成中间发光层发出的光全部被基板吸掉，至少有一半的光被吸掉，所以要翻过来，在基板上挖个洞，形成top-down方式。大部分LED都是面射型。,1,也是翻过来top-down，InP为基板，1.35eV,也会吸可见光，但图中为红外LED。,如何看出红外：InGaAsP：1.33-1.5eV，发光层是narrow bandgap材料，上下2个InP都是large bandgap材料，标准的双异质结，无需再衬底挖洞，让光出来。,2,没有翻过来，没有用到异质结构，简单的pn型，,GaP:N是发光层，GaP:简介带隙，效率不高，2.26eV，接近绿光。,3,边射型LED,红光结构，双异质结，发光层为narrow bandgap材料，夹在2个large bandgap材料之间，,边射型发光不会太强，大部分光被基板吸掉。（1980年以前）,4,高亮度可见光,LED,四元化合物半导体,制作方法：n-GaAs做基板，Si较少用，会有晶格不匹配问题；n-AlInP中掺铝，带隙扩大，发光层是MQW结构，p-AlGaP（MgII族），II族元素掺入族元素中，形成p型半导体；,两边为为大bandgap材料，,5,蓝绿光,LED,通常用,2,种基板：蓝宝石（有杂质时呈现蓝色，无杂质时是透明的），其,bandgap,很大，因此可见光不会被它吸收掉。,制作方法：在外延生长之前，需使用一项非常重要的技术，缓冲层技术（,buffer layer,），通常要在约,500,度低温生长，而非,1000,度以上高温。这一层质量并不好，但作用很重要。再长一层,n,型,GaN,，随后是,MQW,结构做发光层，再长一层,p,型,GaN,再接上电极（,contact,），,N,型电极不能接在下面，必须有两个,front contact,，,原因？,6,制造过程,结构特点（电极）,好处是什么,7,不用牺牲一部分发光区域，,SiC,基板导电。,有什么问题,8,早期红黄光,LED,GaP/AlGaInP/GaAs,absorbing substrate,：,GaAs,9,5-10um,的薄膜,20-50um,光到下面后，会被金属反弹回来,VPE,（,Vaporous phase epitaxy),气相外延生长,10,None,absorbing red yellow LED,结构，假设是,GaP,基板,不加窗口层，直接把,p-type contact electrode,接在上面,产生问题：接触电极很薄，电流来不及散开，直接向下流,11,电流不散开，集中在金属电极的下面，电流密度会非常高，致使光电转换效率下降（经验：物理曲线数值增大到一定程度，就会趋缓，达到饱和）。原因,:,可能是热效应，也可能是其它饱和效应，使光电转换效率开始衰竭。因此，不希望在某个特定区域，电流密度太高。,如果电流无法散开，过于集中在金属电极区域，会使绝大部分的发光也集中在金属电极区域下方，当光打到金属接触区域时，会被挡住，使光线无法散开。,如何使光能够散开？,12,with window layer,加一层很厚的窗口层，其厚度是发光层厚度的十倍、甚至百倍。因为这一层很厚，电流有足够的机会散开。,散开之后的作用：,1,、使各点的电流密度降低，光电转换效率就可以提高；,2,、使发光区域变大，被上面金属挡住的区域所占比例就会减小，,LED,发光效率就会有较大提升。,13,High Brightness Blue LEDs,蓝宝石基板、低温生长缓冲层（累晶质量不太好）、高品质,n-GaN,、大,bandgap,材料、中间夹,MQW,结构（,InGaN,是,narrow bandgap,区域，,GaN,是,large bandgap,区域，长,5-10,个周期）、再长,large bandgap p,型层。,n-electrode,要吃掉一部分累晶层区域，直到,n,型区域，将,n,型金属接触做在上面。,14,15,此结构遇到一个问题：电流散不开，怎么办？,电流都集中在,p-contact,下面，发出的光都在,p-contact,下面，是否可以加窗口层？,16,无法加很厚的窗口层。原因：蓝宝石基板和,GaN,晶格不匹配，在,1000,度长完晶后，降温过程中，外延层开始弯曲，因此，上面的累晶层不能长太厚，事实上，其总厚度大约在,5um,以下，蓝宝石的厚度在大约,300-400um,之间；如果累晶层厚度超过,10,或,20um,，冷却后，弯到一定程度，累晶层就会裂开，因此，无法长很厚的,GaN,窗口层，要解决此问题，必须想其他办法。,p-contact,下面长一层特殊材料：会导电，又能透过可见光。,2,种可能选择：,A,、仍然用金属，只是把金属变得很薄，但金属变薄后，出现新问题，其导电能力会迅速下降，电流散开的能力会随之降低。,B,、,ITO,（透明导电材料）,17,High Brightness LEDs on CIE Chromaticity Diagram,（,RGBLED,都包括）,高亮度,LED,在色坐标图中的标准位置,18,R,G,B,三色,LED,的光谱分布图：红光,LED,的半高宽，即波长分布最窄；绿光,LED,半高宽较宽；蓝光,LED,的半高宽介于二者之间。,因为不是很理想的单一波长的光，因此不会刚好落在色坐标图边缘上。,红光的半高宽小，离边缘近；,绿光偏向中间，,525,、,505,、,498nm,，；另外，设计色坐标时，绿光被刻意拉大也是一个原因；蓝光也比较靠近边缘。,626,615,605,590.,为,p,：最高强度所对应的波长。,19,20,21,22,23,LED,芯片介绍,1,、,LED,芯片分类介绍,2,、不同结构,LED,芯片的性能简介,3,、垂直结构,LED,芯片的制成,24,Led,芯片的结构,LED,芯片有两种基本结构，水平结构（,Lateral,）和垂直结构（,Vertical,）。横向结构,LED,芯片的两个电极在,LED,芯片的同一侧，电流在,n-,和,p-,类型限制层中横向流动不等的距离。垂直结构的,LED,芯片的两个电极分别在,LED,外延层的两侧，由于图形化电极和全部的,p-,类型限制层作为第二电极，使得电流几乎全部垂直流过,LED,外延层，极少横向流动的电流，可以改善平面结构的电流分布问题，提高发光效率，也可以解决,P,极的遮光问题，提升,LED,的发光面积。,制造垂直结构,LED,芯片技术主要有三种方法：,一、采用碳化硅基板生长,GaN,薄膜，优点是在相同操作电流条件下，,光衰少、寿命长，不足处是硅基板会吸光。,二、利用芯片黏合及剥离技术制造。优点是光衰少、寿命长，不足,处是须对,LED,表面进行处理以提高发光效率。,三、是采用异质基板如硅基板成长氮化镓,LED,磊晶层，优点是散热,好、易加工。,25,目前主流,Led,结构剖析,26,两种芯片发光形式,27,水平型结构,Led,出光路线,28,垂直型芯片性能介绍,由于当前芯片主要是垂直型的和水平型的两种。,垂直型产品以,CREE,芯片为代表特点主要是：,光效高：最高可达,161 lmw,，节能；,电压低：蓝光在,2.93.3V,；,热阻小：芯片本身的热阻小于,1,C/W;,亮度高：由于采用垂直结构，电流垂直流动，电流密度均匀，,耐冲击型强；同一尺寸芯片，发光面宽，亮度高。,光型好：,85%,以上光从正面发出，易封装，好配光；,唯一的缺点就是：不方便集成封装。若要集成封装，芯片需,做特殊处理。,我公司全部采用垂直结构的芯片。,29,水平型芯片性能介绍,水平型产品以普瑞芯片为代表，芯片的主要特点是：,光效一般：最高在,100 lmw,左右；,电压高：蓝光在,3.44V,；,热阻高：使用蓝宝石衬底导热性差。芯片本身的热阻在,46,C/W;,亮度一般：由于采用水平结构，电流横向动，电流密度不均，容易局,部烧坏；为弥补这一缺陷，在芯片的上表面做,ITO.ITO,将以,减少出光为代价。同一尺寸芯片，发光面窄，亮度低。,光利用率低：,65%,左右的光从正面发出，,35%,的光从侧面发出，靠反射来,达到出光，利用率低。,唯一的优点就是：便于集成封装。不过，它也是缺点，由于没解决好散,热，所以集成封装只有加速它的衰减，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,制造垂直结构,LED,芯片有两种基本方法：,一、剥离生长衬底；,二、不剥离生长衬底。,其中生长在砷化镓生长衬底上的垂直结构,GaP,基,LED,芯片有两种结构：,一、不剥离导电砷化镓生长衬底：在导电砷化镓生长衬底上层,迭导电,DBR,反射层，生长,GaP,基,LED,外延层在导电,DBR,反,射层上,。,二、剥离砷化镓生长衬底：层迭反射层在,GaP,基,LED,外延层上，,键合导电支持衬底，剥离砷化镓衬底。导电支持衬底包括，,砷化镓衬底，磷化镓衬底，硅衬底，金属及合金等。,33,34,35,四元,DBR,材料,36,MQW LED,器件结构示意图,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 bandgap,材料,右：,n-type large bandgap,材料,有源层：,narrow badgap,材料，通常掺杂浓度很低,电子和空穴分别从左右两端进入有源层，其扩散长度会比有源层厚度（如,0.22um,）大很多，表示载流子会很均匀地分布在,narrow bandgap,材料中；,由于电中性的要求，因此额外的电子和空穴数应该相等（,n=,p,）：通常有源层掺杂浓度很低，相对而言，注入的载流子数目非常多，因此以上等式成立，,58,59,量子阱（,QW,）是指由,2,种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。,60,多量子阱结构优势：,1,、在,MQW,结构中，电子和空穴的波函数重叠较多，因此其辐射复合的效率较高；,2,、在,DH,结构中，,narrow bandgap,材料形成的发光区不会长得太窄，否则会使发光区域变小，影响发光效率；也不能长得太宽，否则会超过载流子扩散长度，通常,0.5-5um,；如果中间的,narrow bandgap,材料和两边的,large bandgap,材料晶格不匹配，长晶后，材料会产生很多缺陷，使发光效率下降；,用,MQW,结构，中间,narrow bandgap,层可以做的很薄，晶格不匹配的影响很小，不会产生缺陷；如,InGaN,刚好发出蓝、绿光，两边,large bandgap,材料用,GaN,，但它们之间的,lattice constant,不匹配，可以使,InGaN,长得很薄，两边材料长得很厚，材料不会产生松弛、开裂，但发光强度不够，因此采用,MQW,结构，长很多层。材料间晶格不匹配时，要考虑用,MQW,结构。,3,、利用,MQW,结构，可以使发出光子的能量有效增加。,当形成,QW,结构时，能量会被量子化，能够有效提高载流子结合放出的能量。特别地，需要调节,bandgap,时，经常使用,Al,，以实现所需色彩，但加,Al,后材料会趋近或变成间接带隙，发光性能下降。,可以做成,MQW,结构，利用调变,MQW,的宽窄，可以调节禁带大小。,61,4,、,MQW,使有源层变薄，避免了内部的自我吸收。,有源层产生的光子，在发出去之前，在有源层有可能被再吸收掉（发光区是,narrowbandgap,材料，而局域层是,large bandgap,），不会被吸上去。有源层变薄后，可以减少光的吸收。,5,、,MQW,发光光谱和,I-V,特性不易受温度影响，即元件特性对温度不太敏感。,62,63,64,65,把外面变成圆形，能有效避免全反射，但这种结构不好加工,66,挖一个椎，减少全反射，但无法进入椎区域的光在多次全反射后，能量会损失,利用湿法刻蚀或机械加工方法在侧面切出斜边，打破四面对称结构，使光发射出来。,下边为,p,型反射金属,HP,公司,67,尺寸变为原来,10,倍,68,类似想法用于绿光,MB,发光层的光所走路径较长，在下面金属反射后，有损失,XB,发光层离底部金属反射层近，路径短，向上走时，从侧面斜角也可以出去,光子走的路径短，损失较低,69,70,71,72,