2022年半导体发光二极管基本知识和工艺简介 .pdf
《2022年半导体发光二极管基本知识和工艺简介 .pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《2022年半导体发光二极管基本知识和工艺简介 .pdf(17页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、276454369.doc-1-1-半导体发光二极管基本知识和工艺简介导言自从 60 年代初期 GaAsP红色发光器件小批量出现进而十年后大批量生产以来,发光二极管新材料取得很大进展。最早发展包括用GaAs1-xPx 制成的同质结器件,以及GaP掺锌氧对的红色器件,GaAs1-xPx掺氮的红、橙、黄器件,GaP掺氮的黄绿器件等等。到了80年代中期出现了GaAlAs发光二极管,由于 GaAlAs材料为直接带材料,且具有高发光效率的双异质结结构,使LED的发展达到一个新的阶段。这些GaAlAs 发光材料使 LED的发光效率可与白炽灯相媲美,到了1990 年,Hewlett-Packard公司和东芝
2、公司分别提出了一种以 AlGaIn 材料为基础的新型发光二极管。由于AlGaIn 在光谱的红到黄绿部分均可得到很高的发光效率,使LED的应用得到大大发展,这些应用包括汽车灯(如尾灯和转弯灯等),户外可变信号,高速公路资料信号,户外大屏幕显示以及交通信号灯。近几年来,由于 CaN 材料制造技术的迅速进步,使蓝、绿、白LED 的产业化成为现实,而且由于芯片亮度的不断提高和价格的不断下降,使得蓝、绿、白LED在显示、照明等领域得到越来越广泛的应用。本课程将介绍 LED的基本结构、LED主要的电学、光度学和色度学参数,并简单介绍 LED制造主要工艺过程。1.发光二极管(Light Emitting D
3、iode)的基本结构图是普通 LED的基本结构图。它是用银浆把管芯装在引线框架(支架)上,再用金线把管芯的另一侧连接到支架的另一极,然后用环氧树脂封装成型。组成 LED的主要材料包括:管芯、粘合剂、金线、支架和环氧树脂。1.1 管芯事实上,管芯是一个由化合物半导体组成的PN结。由不同材料制成的管芯可以发出不同的颜色。即使同一种材料,通过改变掺入杂质的种类或浓度,或者改变材料的组份,也可以得到不同的发光颜色。下表是不同颜色的发光二极管所使用的发光材料。图普通 LED基本结构图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页,共 17 页 -276454369.doc-2-2-Emissi
4、on Area0.2540.254N ElectrodeP ElectrodeGaP P Epi LayerGaP N Epi LayerGaP N Substrate表 不同颜色的发光二极管所使用的发光材料发光颜色使用材料普通红磷化镓(G aP)高亮度红磷砷镓(G aAsP)超高亮红镓铝砷(G aAlAs)超高亮红镓铟铝磷(Al G aInP)普通绿、黄绿磷化镓(G aP)高亮绿镓铟铝磷(Al G aInP)超高亮绿氮化镓 (GaN)普通黄、橙磷砷镓(G aAsP)超高亮黄、橙镓铟铝磷(Al G aInP)蓝氮化镓 (GaN)紫氮化镓 (GaN)白氮化镓+荧光粉红外砷化镓(G aAs)图是
5、LED芯片图形。多数管芯正面为P面,连接到电源的正极,背面为N面,连接到电源的负极((G aAlAs 芯片正面为 N,背面为 P;以蓝宝石衬底的蓝、绿芯片P、N 都在正面)。约在管芯2/3 高处,是 P 区和 N 区的交界处,称 PN 结。当有电流通过 PN 结时产生发光,发光颜色取决于芯片材料,而发光强度除了和材料有关外,还和通过PN结电流的大小以及封装形式有关。电流越大,发光强度越高,但当电流达到一定程度时出现光的饱和,这时电流再增加,光强不再增加。1.2 粘合剂粘合剂的作用是把管芯粘在支架的反射杯上,一般使用导电银浆作为粘合剂,但对于蓝宝石衬底的芯片,因两个电极都在正面,因此使用绝缘胶作
6、为粘合剂。银浆有单组份和双组份两种,目前使用的银浆大都为单组份银浆,这种银浆必须在低温下保存。粘合剂的性能对制品的可靠性及透光效果有直接影响,因此,必须根据实际情况,选择合适的粘合剂,并注意应在规定的期限内使用。1.3 金线金线的作用是把管芯的电极连接到支架上。主要有25m 和30m 两种规格,一般场合使用 25m 金线,对于通过电流较大,可靠性要求较高的场合,则使用 30名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页,共 17 页 -276454369.doc-3-3-m 金线。1.4 支架支架也即 LED 的外引线,一般使用基体为铁并镀银的支架,但有时为了提高制品的散热性能,则使
7、用基体为铜的支架,当然,其材料成本也相应增加。1.5 环氧树脂LED 采用环氧树脂作为封装材料。环氧树脂的性能对LED 的光电特性尤其是可靠性有很大影响。它的选择必须充分考虑其可靠性、出光效果、工艺可行性及价格等。目前国内较常用的是台湾产的EP 系列环氧树脂,而我公司外加工线则较多使用日本产的 502、512、514 等树脂。502 树脂的流动性较好,但出光效果较差,512树脂的出光效果好,但粘度较高,工艺可行性差,可靠性也较差,514 树脂的最大优点是耐热性能好,因此,常用于可靠性要求较高的制品。树脂分为主剂和硬化剂两部分,有的树脂在主剂中加入了颜料,因此得到了各种颜色的主剂,而大多数树脂主
8、剂出厂时是一种淡蓝色的液体,封装时根据需要加入不同颜料,硬化剂是一种无色透明的液体。在树脂中加入适量的散射剂可以提高发光的均匀性,增大散射角,但同时法向发光强度降低。2.LED 的主要技术参数2.1 电学参数2.1.1 正向压降指每个 LED 通过的正向电流为规定值时,正、负极之间产生的电压降,用符号VF表示。由不同材料制成的LED 具有不同的 VF值。此外电极材料的选择以及电极制造过程工艺条件的控制也对VF值有着重要影响。组装过程影响 VF值的因素主要是银浆的质量。银浆过期变质,使用双组份银浆时搅拌不均匀都可能造成VF值增加。2.1.2 反向漏电流是指给 LED 加上规定的反向电压时,通过L
9、ED 的电流,用符号 IR表示。正常的 LED,IR值应接近 0。反向漏电流的产生除了和管芯本身的质量有关外,还和组装时管芯安放状态有关。银浆粘污 PN 结和管芯崩裂是造成漏电的最主要因素。当银浆沾污PN结时,好像有一个电阻并联到结上,形成漏电通路,从而产生漏电。管芯崩裂是因为安放管芯时设备顶针位臵调校不当,使管芯受损从而产生漏电,由于管芯崩裂现象镜检时较难发现且由此造成的漏电现象呈不稳定状态,使得在成品检测时易出现漏判,成为影响产品质量的一大隐患。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页,共 17 页 -276454369.doc-4-4-2.2 光度学及光度学参数2.2.1
10、 能量的辐射分布光源的总辐射能量是各种波长能量之和,波长不同能量也不同。我们称发光器件的辐射能量随波长而变化的情况为发光器件辐射能量的光谱分布,以P表示。发光器件在 1 和2 范围内的辐射功率可表示为:P1P2=Pd(1)P是一个相对的分布函数。光谱分布的两个主要参数是它的峰值波长和光谱带宽。(1)峰值波长 p 峰值波长 p 是指光谱强度最大处的波长,它可以由光谱图很容易地确定。图是 CaN 绿色 LED 的光谱曲线,由曲线可见,其峰值波长是 505 nm。(2)半波宽度0.5 半波宽度0.5由p 两边的两个波长0.5-0.5求得:0.5=0.5-0.5(2)图 CaN绿色 LED的光谱曲线2
11、.2.2 辐射度量及单位辐射度学是有关某一给定辐射体的光辐射能量或功率的,光谱涉及从紫外光到红外光的整个范围,与人眼对亮度和颜色的灵敏度无关。1 2”名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页,共 17 页 -276454369.doc-5-5-基本的辐射度参数有4 个:(1)辐射通量或辐射功率辐射功率 P 定义为一个光源在单位时间内发射的总功率:P=(3)辐射功率的单位为瓦特(W)。(2)辐射强度辐射强度 J 定义为单位时间、单位立体角内发射的功率:J=(4)J的单位是:瓦/球面度(W/Sr)这里的立体角就是以点光源为顶点的一个封闭锥体的锥角,其大小等于锥体底面积 A 与锥体的
12、斜边边长r 的平方成之比,即:d=(5)(3)辐射照度落在单位面积上通量的数值,称为辐射照度H。H=(6)dp 是落在元表面上的通量值。辐射照度H 用瓦/平方米(W/m2)作单位。由以上公式可推得某一点光源的辐射强度J 和辐射照度之间的关系:H=J/r2(7)(4)辐射亮度考虑辐射源上表面d,以此为顶点的立体角内d内的辐射通量为dp,d的轴线 v 与 dA 的法线 n 成角,如图(4)所示。dp 与 d及 d在 v 方向的有效截面积dcos有关,即:dp=Rdcosd(8)或:R=(9)图 dQe dt dP ddr2ddP dP dJdddpdcos d名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精
13、心整理-第 5 页,共 17 页 -276454369.doc-6-6-R就称为面辐射源在角所决定方向v 上的亮度,也就是在给定方向上单位有效截面积在单位立体角内的辐射通量值。R的数值与辐射面的性质有关,并且随给定方向而改变,通常以W/Sr 为单位。2.2.3 光度量及单位2.2.3.1 视见函数对于可见光的辐射通常采用光度学的量来描述。为此,必须首先了解视见函数。一般发光器件的辐射都不是单色光,各有一定宽度的光谱分布曲线,人眼对各种波长的辐射的灵敏度是不同的,它不能感觉到红外线和紫外线,只能感受从 380760 nm 范围的可见光,而且在可见光中对各种波长的光的响应程度也是不同的。我们把人眼
14、响应随波长而变化的函数关系称为视见函数,用V()表示。度量辐射能的各个量是仅与客观条件有关的物理量,但光度学的量不仅与客观条件有关,而且还与人的视见函数有关。在辐射度学中引入的各个量,乘上一个与视觉有关的比例系数即视见度K,就得到光度学中的各个量。2.2.3.2 光度学参数(1)光通量假定某辐射体发出的光线是波长为的单色光,该辐射体单位时间内所辐射的能量就是辐射通量P,由该量中能为人眼所感觉的那部分称为光通量F,它表示单位时间内流出光能的大小,单位是流明(lm)。P与 F之间的关系可用下式表示:F=KP=V()KmP(10)式中,K表示波长为的辐射通量每瓦可以产生多少流明的光通量,即同一波长下
15、所测得的光通量与辐射通量之比。Km=680 lm/W 表示人的日间视觉在550nm处能将 1W 功率转变成 680 lm 的光能。各波长发出的总光通则为:F=Km V()Pd(11)由它可以计算器件的效率,用以判别发光器件或材料的性能好坏。(2)发光强度一光源在单位立体角内所发出的光通量称为该光源的光强I。I=(12)380nm 780nm dF d名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页,共 17 页 -276454369.doc-7-7-一个点光源所发出的光强是各向相同的,则总光通量F=4I(13)就是说,一个光源的发光强度I 确定后,它的总光输出也就完全确定了,其它的光学
16、结构(如反射腔等)不能使它增大,而只是可以将光从其它方向往某一方向集中,以提高该方向的光强。在芯片法向上的发光强度称为法向光强。发光强度的单位是坎德拉(cd),一单位立体角内发出一流明的光称为一坎德拉。坎德拉是一个光源在给定方向上的发光强度。(3)半值角在发光强度分布图形中,发光强度等于最大强度一半构成的角度称为半值角。如图所示。图中,沿LED 法向为机械轴方向,最大发光强度方向为光轴方向,机械轴与光轴之间的夹角成为偏差角。芯片的厚度、封装模条的外形尺寸、支架反射杯的深度以及支架在模腔中的插入深度都对半值角的大小有直接影响。制造中,可以根据客户要求,通过选取不同的材料及选用不同的封装尺寸来得到
17、不同大小的半值角。图 LED 光强分布图(4)亮度亮度 B 与辐射亮度类似。发光体之表面d在与其法向成角的方向上的亮度B等于:B=(14)其中 dF 为立体角 d的光通量,如图(6)所示。亮度单位 cd/m2(尼特),也即每平方米表面沿法线方向产生一坎德拉的光强。(5)照度图 照度 E 表示被照明物体的单位面积所接受的总光通量,即:E=(15)dFdcosddFdCdddN名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页,共 17 页 -276454369.doc-8-8-照度的单位是勒克斯。1勒克斯为 1 平方米面积上接受一流明的光通量,即:lm/m2。2.3 色度学及色度学参数显示
18、器件的多色化显然可以大大增加显示的信息与功能,要了解和分析发光器件的颜色问题,就必须了解色度学。实验证明,大多数颜色可以由三种基本的颜色以适当的比例合成,这三种基本的颜色可以任意选定,但它们之间是互相独立的,即其中的一种不能由另外二种以适当的比例合并而成,一般选择红、绿、蓝三种颜色为三个基色,这就是所谓的三基色原理。根据三基色原理,任意颜色C 可表示成:C=XR+YG+ZB(16)X、Y、Z 就是某一颜色 C 的三个分量,采用归一化的方法消去其中一个非独立变量而引入二个新的变量。令:x=y=(17)z=x+y+z=1 只要确定其中的x 和 y,则 z 随之确定,因此颜色就可按图(6)所示的二维
19、图形的某一点确定,其中的x 和 y 都是从 0 变到 1。图(6)就是国际照明协会提出的CIE色度图,x,y,z 称三色系数。X,Y,Z 又称三色视觉值。各单色光的三色视觉值见表。图X X+Y+Z Z X+Y+Z X+Y+Z 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页,共 17 页 -276454369.doc-9-9-由表结合(17)式即可计算出各单色光的三个系数 x、y、z。例如=590 nm的单色光,从表 得:X=1.0263 Y=0.7570 Z=0.0011有则x=0.5752 y=0.4242 z=0.0006 表 将可见光各波长的的x、y 值均在 CIE 色度图上画
20、出,则得所有可见光的色坐标,其轨迹为一舌形曲线,见图(6)。自然界中任何一种可能的颜色都在舌形及其下端连线之内,此范围外的点均为不存在的颜色。两种颜色合成的颜色位于这两个点的连线上。从色度图上可看到红色和绿X X+Y+Z Y X+Y+Z Z X+Y+Z 0 0.0021 0.0058 710 0.0203 0.9540 0.2904 540 0.0089 0.9950 0.5945 560 0.0087 0.9950 0.4334 550 0 0.0041 0.0114 700 0.0422 0.8620 0.1655 530 0 0.0082 0.0227 690 0.0782 0.7100
21、 0.0633 520 0 0.0170 0.0468 680 0.1582 0.5030 0.0093 510 0 0.0320 0.0874 670 0.2720 0.3230 0.0049 500 0 0.0610 0.1649 660 0.4562 0.2080 0.0320 490 0 0.1070 0.2835 650 0.8130 0.1390 0.0956 480 0 0.1750 0.4479 640 1.2876 0.0910 0.1954 470 0 0.2650 0.6424 630 1.6692 0.0600 0.2908 460 0.0002 0.3810 0.85
22、44 620 1.7721 0.0380 0.3362 450 0.0003 0.5030 1.0026 610 1.7471 0.0230 0.3483 440 0.0008 0.6310 1.0622 600 1.3856 0.0116 0.2839 430 0.0011 0.7570 1.0263 590 0.6456 0.0040 0.1344 420 0.0011 0.8700 0.9163 580 0.2074 0.0012 0.0435 410 0.0021 0.9520 0.7621 570 0.0679 0.0004 0.0143 400 Z Y X 波长Z Y X 波长名师
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 2022年半导体发光二极管基本知识和工艺简介 2022 半导体 发光二极管 基本知识 工艺 简介
限制150内