第五章LED發(fā)光二極管

第五章LED發(fā)光二極管第一頁(yè)，共92頁(yè)。2LED發(fā)光原理

由PN結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)組成。其發(fā)光過(guò)程包括三部分：正向偏壓下的載流子注入、復(fù)合輻射和光能傳輸。微小的半導(dǎo)體晶片被封裝在潔凈的環(huán)氧樹(shù)脂物中，當(dāng)電子經(jīng)過(guò)該晶片時(shí)，帶負(fù)電的電子移動(dòng)到帶正電的空穴區(qū)域并與之復(fù)合，電子和空穴消失的同時(shí)產(chǎn)生光子。第二頁(yè)，共92頁(yè)。3一、概述LED（LightEmittingDiode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹(shù)脂封裝起來(lái)。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來(lái)的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)“P-N結(jié)”。在P-N結(jié)上加正向電壓，產(chǎn)生少子注入，少子在傳輸過(guò)程中不斷擴(kuò)散，不斷復(fù)合而發(fā)光。這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長(zhǎng)也就是光的顏色，是由形成P-N結(jié)的材料決定的。改變所采用的半導(dǎo)體材料，就能得到不同波長(zhǎng)的發(fā)光顏色。第三頁(yè)，共92頁(yè)。4二、單色光LED的種類及其發(fā)展歷史最早應(yīng)用半導(dǎo)體P-N結(jié)發(fā)光原理制成的LED光源問(wèn)世于20世紀(jì)60年代初。當(dāng)時(shí)所用的材料是GaAsP，發(fā)紅光（λ=650nm），在驅(qū)動(dòng)電流為20毫安時(shí)，光通量只有千分之幾個(gè)流明，相應(yīng)的發(fā)光效率約0.1流明/瓦。70年代中期，引入元素In和N，使LED產(chǎn)生綠光（λ=555nm），黃光（λ=590nm）和橙光（λ=610nm），光效也提高到1流明/瓦。到了80年代初，出現(xiàn)了GaAlAs的LED光源，使得紅色LED的光效達(dá)到10流明/瓦。

第四頁(yè)，共92頁(yè)。590年代初，發(fā)紅光、黃光的GaAlInP和發(fā)綠、藍(lán)光的GaInN兩種新材料的開(kāi)發(fā)成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在紅、橙區(qū)（λ=615nm）的光效達(dá)到100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區(qū)域（λp=530nm）的光效可以達(dá)到50流明/瓦。第五頁(yè)，共92頁(yè)。6近期開(kāi)發(fā)的LED不僅能發(fā)射出純紫外光而且能發(fā)射出真實(shí)的“黑色”紫外光，LED發(fā)展史到底能走多遠(yuǎn)還不得而知，也許某天就能開(kāi)發(fā)出能發(fā)X射線的LED。然而，LED的發(fā)展不單純是它的顏色還有它的亮度，像計(jì)算機(jī)一樣，遵守摩爾定律的發(fā)展，即每隔18個(gè)月它的亮度就會(huì)增加一倍，曾經(jīng)暗淡的發(fā)光二極管現(xiàn)在真正預(yù)示著LED新時(shí)代的來(lái)臨。第六頁(yè)，共92頁(yè)。7三、發(fā)光二極管制造中的主要工藝技術(shù)（一）外延生長(zhǎng)技術(shù):外延生長(zhǎng)是半導(dǎo)體材料和器件制造的重要工藝。制作LED不但需要優(yōu)質(zhì)無(wú)缺陷的單晶材料，為了形成LED中的發(fā)光中心，還需要對(duì)單晶材料做可控?fù)诫s?！巴庋印币辉~是指在單晶襯底上生長(zhǎng)一層新單晶的技術(shù)。新單晶層的取向取決與襯底，并由襯底向外延伸而成，故稱“外延”層。外延生長(zhǎng)工藝有液相外延、氣相外延、分子束外延、金屬有機(jī)化合物氣相淀積四種。第七頁(yè)，共92頁(yè)。8單晶硅直拉單晶硅第八頁(yè)，共92頁(yè)。多晶硅，是單質(zhì)硅的一種形態(tài)。熔融的單質(zhì)硅在過(guò)冷條件下凝固時(shí)，硅原子以金剛石晶格形態(tài)排列成許多晶核，如這些晶核長(zhǎng)成晶面取向不同的晶粒，則這些晶粒結(jié)合起來(lái)，就結(jié)晶成多晶硅。單晶硅和多晶硅的區(qū)別是，當(dāng)熔融的單質(zhì)硅凝固時(shí),硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長(zhǎng)成晶面取向相同的晶粒，則形成單晶硅。如果這些晶核長(zhǎng)成晶面取向不同的晶粒，則形成多晶硅。多晶硅與單晶硅的差異主要表現(xiàn)在物理性質(zhì)方面。例如在力學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)等方面，多晶硅均不如單晶硅。多晶硅可作為拉制單晶硅的原料。第九頁(yè)，共92頁(yè)。10

１、液相外延【LiquidPhaseEpitaxy,LPE】由溶液中析出固相物質(zhì)并沉積在襯底上生成單晶薄層的方法。液相外延技術(shù)(LiquidPhaseEpitaxy,簡(jiǎn)稱LPE)1963年由Nelson等人提出,其原理是:以低熔點(diǎn)的金屬(如Ga、In等)為溶劑,以待生長(zhǎng)材料(如Ga、As、Al等)和摻雜劑(如Zn、Te、Sn等)為溶質(zhì),使溶質(zhì)在溶劑中呈飽和或過(guò)飽和狀態(tài)。通過(guò)降溫冷卻使石墨舟中的溶質(zhì)從溶劑中析出,在單晶襯底上定向生長(zhǎng)一層晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)與單晶襯底足夠相似的晶體材料,使晶體結(jié)構(gòu)得以延續(xù),實(shí)現(xiàn)晶體的外延生長(zhǎng)。通過(guò)降溫冷卻使石墨舟中的溶質(zhì)從溶劑中析出,在單晶襯底上定向生長(zhǎng)一層晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)與單晶襯底足夠相似的晶體材料,使晶體結(jié)構(gòu)得以延續(xù),實(shí)現(xiàn)晶體的外延生長(zhǎng)。液相外延由尼爾松于1963年發(fā)明，成為化合物半導(dǎo)體單晶薄層的主要生長(zhǎng)方法，被廣泛的用于電子器件的生產(chǎn)上。薄層材料和襯底材料相同的稱為同質(zhì)外延，反之稱為異質(zhì)外延。第十頁(yè)，共92頁(yè)。11液相外延可分為傾斜法、垂直法和滑舟法三種，其中傾斜法是在生長(zhǎng)開(kāi)始前，使石英管內(nèi)的石英容器向某一方向傾斜，并將溶液和襯底分別放在容器內(nèi)的兩端；垂直法是在生長(zhǎng)開(kāi)始前，將溶液放在石墨坩鍋中，而將襯底放在位于溶液上方的襯底架上；滑舟法是指外延生長(zhǎng)過(guò)程在具有多個(gè)溶液槽的滑動(dòng)石墨舟內(nèi)進(jìn)行。在外延生長(zhǎng)過(guò)程中，可以通過(guò)四種方法進(jìn)行溶液冷卻：平衡法、突冷法、過(guò)冷法和兩相法。第十一頁(yè)，共92頁(yè)。12

２、氣相外延【VapourPhaseEpitaxy,VPE】

一種單晶薄層生長(zhǎng)方法。氣相外延廣義上是化學(xué)氣相沉積的一種特殊方式，其生長(zhǎng)薄層的晶體結(jié)構(gòu)是單晶襯底的延續(xù)，而且與襯底的晶向保持對(duì)應(yīng)的關(guān)系。第十二頁(yè)，共92頁(yè)。13在半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中，氣相外延發(fā)揮了重要作用，典型代表是Si氣相外延和GaAs以及固溶體氣相外延。Si氣相外延是以高純氫氣作為輸運(yùn)和還原氣體，在化學(xué)反應(yīng)后生成Si原子并沉積在襯底上，生長(zhǎng)出晶體取向與襯底相同的Si單晶外延層，該技術(shù)已廣泛用于Si半導(dǎo)體器件和集成電路的工業(yè)化生產(chǎn)。GaAs氣相外延通常有兩種方法：氯化物法和氫化物法，該技術(shù)工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、生長(zhǎng)的GaAs純度高、電學(xué)特性好，已廣泛的應(yīng)用于霍爾器件、耿氏二極管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管等微波器件中。

第十三頁(yè)，共92頁(yè)。14第十四頁(yè)，共92頁(yè)。15

３、分子束外延【moleculebeamepitaxy,MBE】這是一種在晶體基片上生長(zhǎng)高質(zhì)量的晶體薄膜的新技術(shù)。在超高真空條件下，由裝有各種所需組分的爐子加熱而產(chǎn)生的蒸氣，經(jīng)小孔準(zhǔn)直后形成的分子束或原子束，直接噴射到適當(dāng)溫度的單晶基片上，同時(shí)控制分子束對(duì)襯底掃描，就可使分子或原子按晶體排列一層層地“長(zhǎng)”在基片上形成薄膜。第十五頁(yè)，共92頁(yè)。16該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：使用的襯底溫度低，膜層生長(zhǎng)速率慢，束流強(qiáng)度易于精確控制，膜層組分和摻雜濃度可隨源的變化而迅速調(diào)整。用這種技術(shù)已能制備薄到幾十個(gè)原子層的單晶薄膜，以及交替生長(zhǎng)不同組分、不同摻雜的薄膜而形成的超薄層量子阱微結(jié)構(gòu)材料。第十六頁(yè)，共92頁(yè)。17由于MBE的生長(zhǎng)環(huán)境潔凈、溫度低、具有精確的原位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、晶體完整性好、組分與厚度均勻準(zhǔn)確。第十七頁(yè)，共92頁(yè)。18

第十八頁(yè)，共92頁(yè)。19４、金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積【MOCVD】用金屬有機(jī)化合物熱分解進(jìn)行氣相外延生長(zhǎng)的方法。MOCVD是金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積(Metal-organicChemicalVaporDeposition)MOCVD是在氣相外延生長(zhǎng)(VPE)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型氣相外延生長(zhǎng)技術(shù).它以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有機(jī)化合物和V、Ⅵ族元素的氫化物等作為晶體生長(zhǎng)源材料，以熱分解反應(yīng)方式在襯底上進(jìn)行氣相外延，生長(zhǎng)各種Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體以及它們的多元固溶體的薄層單晶材料。

第十九頁(yè)，共92頁(yè)。MOCVD技術(shù)具有下列優(yōu)點(diǎn):

(l)適用范圍廣泛，幾乎可以生長(zhǎng)所有化合物及合金半導(dǎo)體；(2)非常適合于生長(zhǎng)各種異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料；(3)可以生長(zhǎng)超薄外延層，并能獲得很陡的界面過(guò)渡；(4)生長(zhǎng)易于控制；(5)可以生長(zhǎng)純度很高的材料；(6)外延層大面積均勻性良好；(7)可以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。20第二十頁(yè)，共92頁(yè)。21目前－－MOCVD設(shè)備制造商主要有兩家：1.德國(guó)AIXTRON公司(英國(guó)THOMASSWAN公司已被AIXTRON公司收購(gòu))累計(jì)銷售1000臺(tái)。2.美國(guó)VEECO公司（并購(gòu)美國(guó)EMCORE公司）。

其中AIXTRON公司（含THOMASSWAN公司）大約占60-70%的國(guó)際市場(chǎng)份額，而VEECO公司占30-40%。第二十一頁(yè)，共92頁(yè)。22（二）擴(kuò)散技術(shù)：用于LED制造中的摻雜。擴(kuò)散過(guò)程分兩步，首先通過(guò)氣相沉積或涂敷的方法，在基片表面上覆蓋一層所希望的摻雜劑，使基片表面上含有一定的雜質(zhì)，稱為預(yù)沉積；然后加溫使雜質(zhì)原子向晶體內(nèi)運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散深度取決于溫度和擴(kuò)散時(shí)間。（三）制備電極：在電極引線與p-n結(jié)間希望形成歐姆接觸。歐姆接觸指的是它不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，而且不會(huì)使半導(dǎo)體內(nèi)部的平衡載流子濃度發(fā)生顯著的改變。第二十二頁(yè)，共92頁(yè)。23四、ＬＥＤ的分類1．按發(fā)光管發(fā)光顏色分按發(fā)光管發(fā)光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色（又細(xì)分黃綠、標(biāo)準(zhǔn)綠和純綠）、藍(lán)光等。另外，有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無(wú)色，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無(wú)色透明、有色散射和無(wú)色散射四種類型。散射型發(fā)光二極管可用于做指示燈用。第二十三頁(yè)，共92頁(yè)。242．按發(fā)光管出光面特征分按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。國(guó)外通常把φ3mm的發(fā)光二極管記作T-1；把φ5mm的記作T-1（3/4）；把φ4.4mm的記作T-1（1/4）。第二十四頁(yè)，共92頁(yè)。25由半值角大小可以估計(jì)圓形發(fā)光強(qiáng)度角分布情況。從發(fā)光強(qiáng)度角分布圖來(lái)分有三類：（1）高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用以組成自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。（2）標(biāo)準(zhǔn)型。通常作指示燈用，其半值角為20°～45°。（3）散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為45°～90°或更大，散射劑的量較大。第二十五頁(yè)，共92頁(yè)。263．按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分類按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結(jié)構(gòu)。第二十六頁(yè)，共92頁(yè)。274．按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流分按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流分有:普通亮度的LED（發(fā)光強(qiáng)度<10mcd）；超高亮度的LED（發(fā)光強(qiáng)度>100mcd）；把發(fā)光強(qiáng)度在10～100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。一般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA，而低電流LED的工作電流在2mA以下（亮度與普通發(fā)光管相同）。除上述分類方法外，還有按芯片材料分類及按功能分類的方法。第二十七頁(yè)，共92頁(yè)。28點(diǎn)式LED字段式LED點(diǎn)陣式LED光柱式LEDLED的類型第二十八頁(yè)，共92頁(yè)。29五、LED封裝LED封裝的作用是將外引線連接到LED芯片的電極上，不但可以保護(hù)LED芯片，而且起到提高發(fā)光效率的作用。所以LED封裝不僅僅只是完成輸出電信號(hào)，更重要的是保護(hù)管芯正常工作，輸出可見(jiàn)光的功能?？梢?jiàn)LED封裝既有電參數(shù)，又有光參數(shù)的設(shè)計(jì)及技術(shù)要求，并不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的工作。

第二十九頁(yè)，共92頁(yè)。301產(chǎn)品封裝結(jié)構(gòu)類型：根據(jù)發(fā)光顏色、芯片材料、發(fā)光亮度、尺寸大小等情況特征來(lái)分類的。2引腳式封裝：LED腳式封裝采用引線架作各種封裝外型的引腳，是最先研發(fā)成功投放市場(chǎng)的封裝結(jié)構(gòu)，品種數(shù)量繁多，技術(shù)成熟度較高，封裝內(nèi)結(jié)構(gòu)與反射層仍在不斷改進(jìn)。第三十頁(yè)，共92頁(yè)。313表面貼裝封裝：表面貼裝封裝的LED(SMDLED)逐漸被市場(chǎng)所接受，并獲得一定的市場(chǎng)份額，從引腳式封裝轉(zhuǎn)向SMD符合整個(gè)電子行業(yè)發(fā)展大趨勢(shì)。4功率型封裝：LED芯片及封裝向大功率方向發(fā)展，在大電流下產(chǎn)生比Φ5mmLED大10-20倍的光通量，必須采用有效的散熱與不劣化的封裝材料解決光衰問(wèn)題，因此，管殼及封裝也是其關(guān)鍵技術(shù)，能承受數(shù)W功率的LED封裝已出現(xiàn)。第三十一頁(yè)，共92頁(yè)。1）LED單芯片封裝

LED在過(guò)去的30多年里，取得飛速發(fā)展。第一批產(chǎn)品出現(xiàn)在1968年，工作電流20mA的LED的光通量只有千分之幾流明，相應(yīng)的發(fā)光效率為0.1lm/W，而且只有一種光色為650nm的紅色光。70年代初該技術(shù)進(jìn)步很快，發(fā)光效率達(dá)到1lm/W，顏色也擴(kuò)大到紅色、綠色和黃色。伴隨著新材料的發(fā)明和光效的提高，單個(gè)LED光源的功率和光通量也在迅速增加。原先，一般LED的驅(qū)動(dòng)電流僅為20mA。到了20世紀(jì)90年代，一種代號(hào)為“食人魚(yú)”的LED光源的驅(qū)動(dòng)電流增加到50-70mA，而新型大功率LED的驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到300—500mA。特別是1998年白光LED的開(kāi)發(fā)成功，使得LED應(yīng)用從單純的標(biāo)識(shí)顯示功能向照明功能邁出了實(shí)質(zhì)性的一步。第三十二頁(yè)，共92頁(yè)。圖2-1普通LED圖2-2高亮度LED圖2-3“食人魚(yú)”LED圖2-4大功率LED第三十三頁(yè)，共92頁(yè)。A功率型LED封裝技術(shù)現(xiàn)狀功率型LED分為功率LED和瓦(W)級(jí)功率LED兩種。功率LED的輸入功率小于1W(幾十毫瓦功率LED除外)；W級(jí)功率LED的輸入功率等于或大于1W。第三十四頁(yè)，共92頁(yè)。最早有HP公司于20世紀(jì)90年代初推出“食人魚(yú)”封裝結(jié)構(gòu)的LED，并于1994年推出改進(jìn)型的“SnapLED”，有兩種工作電流，分別為70mA和150mA，輸入功率可達(dá)0.3W。接著OSRAM公司推出“PowerTOPLED”，之后一些公司推出多種功率LED的封裝結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的功率LED比原支架式封裝的LED輸入功率提高幾倍，熱阻降為過(guò)去的幾分之一。第三十五頁(yè)，共92頁(yè)。W級(jí)功率LED是未來(lái)照明的核心，世界各大公司投入很大力量，對(duì)其封裝技術(shù)進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。單芯片W級(jí)功率LED最早是由Lumileds公司于1998年推出的LUXEONLED，該封裝結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是采用熱電分離的形式，將倒裝芯片用硅載體直接焊在熱沉上，并采用反射杯、光學(xué)透鏡和柔性透明膠等新結(jié)構(gòu)和新材料，現(xiàn)可提供單芯片1W、3W和5W的大功率LED，Lumileds公司擁有多項(xiàng)功率型白光二極管封裝方面的專利技術(shù)。OSRAM于2003年推出單芯片的GoldenDragon”系列LED，其特點(diǎn)是熱沉與金屬線路板直接接觸，具有很好的散熱性能，而輸入功率可達(dá)1W。日亞的1WLED工作電流為350mA，白光、藍(lán)光、藍(lán)綠光和綠光的光通量分別為23、7、28和20流明，預(yù)計(jì)其壽命為5萬(wàn)小時(shí)。第三十六頁(yè)，共92頁(yè)。B功率型LED封裝技術(shù)概述

半導(dǎo)體LED若要作為照明光源，常規(guī)產(chǎn)品的光通量與白熾燈和熒光燈等通用性光源相比，距離甚遠(yuǎn)。因此，LED要在照明領(lǐng)域發(fā)展，關(guān)鍵是要將其發(fā)光效率、光通量提高至現(xiàn)有照明光源的等級(jí)。由于LED芯片輸入功率的不斷提高，功率型LED封裝技術(shù)主要應(yīng)滿足以下兩點(diǎn)要求：①封裝結(jié)構(gòu)要有高的取光效率；②熱阻要盡可能低，這樣才能保證功率LED的光電性能和可靠性。第三十七頁(yè)，共92頁(yè)。功率型LED所用的外延材料采用MOCVD的外延生長(zhǎng)技術(shù)和多量子阱結(jié)構(gòu)，雖然其內(nèi)量子效率還需進(jìn)一步提高，但獲得高發(fā)光通量的最大障礙仍是芯片的取光效率低?，F(xiàn)有的功率型LED的設(shè)計(jì)采用了倒裝焊新結(jié)構(gòu)來(lái)提高芯片的取光效率，改善芯片的熱特性，并通過(guò)增大芯片面積，加大工作電流來(lái)提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率，從而獲得較高的發(fā)光通量，除了芯片外，器件的封裝技術(shù)也舉足輕重。第三十八頁(yè)，共92頁(yè)。功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)：a.散熱技術(shù)

傳統(tǒng)的指示燈型LED封裝結(jié)構(gòu)，一般是用導(dǎo)電或非導(dǎo)電膠將芯片裝在小尺寸的反射杯中或載片臺(tái)上，由金絲完成器件的內(nèi)外連接后用環(huán)氧樹(shù)脂封裝而成，其熱阻高達(dá)150～250℃/W，新的功率型芯片若采用傳統(tǒng)式的LED封裝形式，將會(huì)因?yàn)樯岵涣级鴮?dǎo)致芯片結(jié)溫迅速上升和環(huán)氧碳化變黃，從而造成器件的加速光衰直至失效，甚至因?yàn)檠杆俚臒崤蛎浰a(chǎn)生的應(yīng)力造成開(kāi)路而失效。第三十九頁(yè)，共92頁(yè)。對(duì)于大工作電流的功率型LED芯片，低熱阻、散熱良好及低應(yīng)力的新的封裝結(jié)構(gòu)是功率型LED器件的技術(shù)關(guān)鍵?？刹捎玫妥杪省⒏邔?dǎo)熱性能的材料粘結(jié)芯片；在芯片下部加銅或鋁質(zhì)熱沉，并采用半包封結(jié)構(gòu)，加速散熱；甚至設(shè)計(jì)二次散熱裝置，來(lái)降低器件的熱阻；在器件的內(nèi)部，填充透明度高的柔性硅膠，膠體不會(huì)因溫度驟然變化而導(dǎo)致器件開(kāi)路，也不會(huì)出現(xiàn)變黃現(xiàn)象；零件材料也應(yīng)充分考慮其導(dǎo)熱、散熱特性，以獲得良好的整體熱特性。第四十頁(yè)，共92頁(yè)。圖2-5普通LED封裝結(jié)構(gòu)圖圖2-6大功率LED封裝結(jié)構(gòu)圖第四十一頁(yè)，共92頁(yè)。b.二次光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)

為提高器件的取光效率，設(shè)計(jì)外加的反射杯與多重光學(xué)透鏡。c.功率型LED白光技術(shù)第四十二頁(yè)，共92頁(yè)。照明用W級(jí)功率LED產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還必須解決如下技術(shù)問(wèn)題：①熒光粉涂敷量和均勻性控制：LED芯片+熒光粉工藝采用的涂膠方法，通常是將熒光粉與膠混合后用分配器將其涂到芯片上。在操作過(guò)程中，由于載體膠的粘度是動(dòng)態(tài)參數(shù)、熒光粉比重大于載體膠而產(chǎn)生沉淀以及分配器精度等因素的影響，此工藝熒光粉的涂布量均勻性的控制有難度，導(dǎo)致了白光顏色不均勻。第四十三頁(yè)，共92頁(yè)。②芯片光電參數(shù)配合：半導(dǎo)體工藝的特點(diǎn)，決定同種材料同一晶圓芯片之間都可能存在光學(xué)參數(shù)(如波長(zhǎng)、光強(qiáng))和電學(xué)(如正向電壓)參數(shù)差異。RGB三基色芯片更是這樣，對(duì)于白光色度參數(shù)影響很大，這是產(chǎn)業(yè)化必須要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。第四十四頁(yè)，共92頁(yè)。③根據(jù)應(yīng)用要求產(chǎn)生的光色度參數(shù)控制：不同用途的產(chǎn)品對(duì)白光LED的色坐標(biāo)、色溫、顯色性、光功率(或光強(qiáng))和光的空間分布等要求不同，上述參數(shù)的控制涉及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝方法、材料等多方面因素的配合。在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，對(duì)上述因素進(jìn)行控制，得到符合應(yīng)用要求、一致性好的產(chǎn)品十分重要。第四十五頁(yè)，共92頁(yè)。d.檢測(cè)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)

隨著W級(jí)功率芯片制造技術(shù)和白光LED工藝技術(shù)的發(fā)展，LED產(chǎn)品正逐步進(jìn)入照明市場(chǎng)，顯示或指示用的傳統(tǒng)LED產(chǎn)品參數(shù)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試方法已不能滿足照明應(yīng)用的需要。國(guó)內(nèi)外的半導(dǎo)體設(shè)備儀器生產(chǎn)企業(yè)也紛紛推出各自的測(cè)試儀器，不同的儀器使用的測(cè)試原理、條件、標(biāo)準(zhǔn)存在一定的差異，增加了測(cè)試應(yīng)用、產(chǎn)品性能比較工作的難度和問(wèn)題復(fù)雜化。LED要往照明業(yè)拓展，建立LED照明產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)是產(chǎn)業(yè)規(guī)范化的重要手段。第四十六頁(yè)，共92頁(yè)。e.篩選技術(shù)與可靠性保證

由于燈具外觀的限制，照明用LED的裝配空間密封且受到局限，不利于LED散熱，這意味著照明LED的使用環(huán)境要劣于傳統(tǒng)顯示、指示用LED產(chǎn)品。另外，照明LED是處于大電流驅(qū)動(dòng)下工作，這就對(duì)其提出更高的可靠性要求。在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，針對(duì)不同的產(chǎn)品用途，進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崂匣囟妊h(huán)沖擊、負(fù)載老化工藝篩選試驗(yàn)，剔除早期失效品，保證產(chǎn)品的可靠性很有必要。第四十七頁(yè)，共92頁(yè)。f.靜電防護(hù)技術(shù)

由于GaN是寬禁帶材料，電阻率較高，該類芯片在生產(chǎn)過(guò)程中因靜電產(chǎn)生的感生電荷不易消失，累積到相當(dāng)?shù)某潭?，可以產(chǎn)生很高的靜電電壓。當(dāng)超過(guò)材料的承受能力時(shí)，會(huì)發(fā)生擊穿現(xiàn)象并放電。藍(lán)寶石襯底的藍(lán)色芯片其正負(fù)電極均位于芯片上面，間距很?。粚?duì)于InGaN/AlGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)，InGaN有源層僅幾十納米，對(duì)靜電的承受能力很小，極易被靜電擊穿，使器件失效。GaN基LED和傳統(tǒng)的LED相比，抗靜電能力差是其鮮明的缺點(diǎn)，靜電導(dǎo)致的失效問(wèn)題已成為影響產(chǎn)品合格率和使用推廣的一個(gè)非常棘手的問(wèn)題。因此，在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，靜電的防范是否得當(dāng)，直接影響到產(chǎn)品的成品率、可靠性和經(jīng)濟(jì)效益。第四十八頁(yè)，共92頁(yè)。靜電的防范技術(shù)有如下幾種：①對(duì)生產(chǎn)使用場(chǎng)所從人體、臺(tái)、地、空間及產(chǎn)品傳輸、堆放等方面實(shí)施防范。②芯片上設(shè)計(jì)靜電保護(hù)線路。③LED上裝配靜電保護(hù)器件。第四十九頁(yè)，共92頁(yè)。2）多芯片集成封裝

為避免大尺寸芯片導(dǎo)致發(fā)光效率的下降等問(wèn)題，可采用小尺寸芯片集成的方法來(lái)增加單管最大可發(fā)光通量。由于小芯片技術(shù)相對(duì)成熟，各種高熱導(dǎo)絕緣夾層的鋁基板散熱好，對(duì)提高光效和增加器件穩(wěn)定性都有好處并便于芯片集成和散熱，效果不錯(cuò)，結(jié)構(gòu)和封裝形式較多。但正裝小芯片固有的缺點(diǎn)如電極引線遮光等問(wèn)題，在多片集成時(shí)會(huì)加重而影響發(fā)光效率，在基板上設(shè)計(jì)“無(wú)引線”的芯片集成可避免引線問(wèn)題，是提高小芯片集成光效的途徑之一。第五十頁(yè)，共92頁(yè)。圖2-7多芯片集成封裝產(chǎn)品第五十一頁(yè)，共92頁(yè)。3）熒光粉

在白光LED的制備中，熒光粉是一個(gè)非常關(guān)鍵的材料，它的性能直接影響白光LED的亮度、色坐標(biāo)、色溫及顯色性等。利用LED芯片配合特定熒光粉產(chǎn)生白光的方法工藝簡(jiǎn)單，成本較低。目前商品化白光LED產(chǎn)品及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)仍以單芯片型為主流，而開(kāi)發(fā)具有良好發(fā)光特性的熒光粉是得到高亮度、高發(fā)光效率、高顯色性白光LED的關(guān)鍵所在。第五十二頁(yè)，共92頁(yè)。通常，選擇LED用熒光粉的標(biāo)準(zhǔn)是：①熒光粉能被與之匹配的LED芯片有效激發(fā)；②并具有高的量子效率；③化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。第五十三頁(yè)，共92頁(yè)。目前采用熒光粉產(chǎn)生白光共有三種方式：藍(lán)光LED配合黃色熒光粉；藍(lán)光LED配合紅色、綠色熒光粉；UV-LED配合紅、綠、藍(lán)三色熒光粉。目前商品化的白光LED多屬藍(lán)光LED配合黃色熒光粉的單芯片型，藍(lán)光LED配合紅色、綠色熒光粉的白光產(chǎn)生方式只是在OSRAR、Lumileds等公司的專利上報(bào)道過(guò)，但仍未有商品化產(chǎn)品出現(xiàn)，而UV-LED配合三色熒光粉的方式目前也尚處于開(kāi)發(fā)中。第五十四頁(yè)，共92頁(yè)。55六、LED的結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理

結(jié)構(gòu)：50年前人們已經(jīng)了解半導(dǎo)體材料可產(chǎn)生光線的基本知識(shí)，第一個(gè)商用二極管產(chǎn)生于1960年。LED是英文lightemit-tingdiode（發(fā)光二極管）的縮寫(xiě)，它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個(gè)有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹(shù)脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。第五十五頁(yè)，共92頁(yè)。56圖3第五十六頁(yè)，共92頁(yè)。57圖4第五十七頁(yè)，共92頁(yè)。58原理：LED的實(shí)質(zhì)性結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體PN結(jié)，核心部分由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過(guò)渡層，稱為PN結(jié)。其發(fā)光原理可以用PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)來(lái)做解釋。制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管的半導(dǎo)體材料是重?fù)诫s的，熱平衡狀態(tài)下的N區(qū)有很多遷移率很高的電子，P區(qū)有較多的遷移率較低的空穴。第五十八頁(yè)，共92頁(yè)。59在常態(tài)下及PN結(jié)阻擋層的限制，二者不能發(fā)生自然復(fù)合，而當(dāng)給PN結(jié)加以正向電壓時(shí)，由于外加電場(chǎng)方向與勢(shì)壘區(qū)的自建電場(chǎng)方向相反，因此勢(shì)壘高度降低，勢(shì)壘區(qū)寬度變窄，破壞了PN結(jié)動(dòng)態(tài)平衡，產(chǎn)生少數(shù)載流子的電注入?？昭◤腜區(qū)注入N區(qū)，同樣電子從N區(qū)注入到P區(qū)，注入的少數(shù)載流子將同該區(qū)的多數(shù)載流子復(fù)合，不斷的將多余的能量以光的形式輻射出去（從紫外到紅外不同顏色的光線）。光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。

第五十九頁(yè)，共92頁(yè)。60發(fā)光二極管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-V特性，即正向?qū)ǎ聪蚪刂?、擊穿特性。如圖5所示。第六十頁(yè)，共92頁(yè)。61鍺二極管伏安特性圖5硅二極管伏安特性第六十一頁(yè)，共92頁(yè)。62

圖5-1第六十二頁(yè)，共92頁(yè)。63七、LED光源的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：1.電壓：LED使用低壓電源，供電電壓在2-24V之間，根據(jù)產(chǎn)品不同而異，所以它是一個(gè)比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場(chǎng)所。2.效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80%。3.適用性：很小，每個(gè)單元LED小片是3-5的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境。4.穩(wěn)定性：10萬(wàn)小時(shí)，光衰減為初始的50%。5.主動(dòng)發(fā)光，一般產(chǎn)品發(fā)光強(qiáng)度＞1cd，高的可達(dá)10～３０cd；第六十三頁(yè)，共92頁(yè)。64

6.響應(yīng)時(shí)間：其白熾燈的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，LED燈的響應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí)。對(duì)于直接復(fù)合型材料為16~160MHZ；對(duì)于間接復(fù)合型材料為MHZ；7.對(duì)環(huán)境污染：無(wú)有害金屬汞。8.顏色：改變電流可以變色，發(fā)光二極管方便地通過(guò)化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，實(shí)現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時(shí)為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬?，黃色，最后為綠色。第六十四頁(yè)，共92頁(yè)。65

9.價(jià)格：LED的價(jià)格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只LED的價(jià)格就可以與一只白熾燈的價(jià)格相當(dāng)，而通常每組信號(hào)燈需由上300～500只二極管構(gòu)成。缺點(diǎn)：電流大、功耗大。第六十五頁(yè)，共92頁(yè)。66

八、LED發(fā)光器件光度學(xué)參數(shù)的測(cè)量相關(guān)光度學(xué)與輻射度學(xué)參數(shù)有：1.光通量Φv(LuminousFlux)：通過(guò)發(fā)光二極管的正向電流為規(guī)定值時(shí)，器件光學(xué)窗口發(fā)射的光通量。2.發(fā)光強(qiáng)度Iv(LuminousIntensity)：光源在單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量，可表示為IV=dΦ/dΩ。3.相對(duì)光譜能量(功率)分布P()(RelativeSpectralDistributions)：在光輻射波長(zhǎng)范圍內(nèi)，各個(gè)波長(zhǎng)的輻射能量分布情況。第六十六頁(yè)，共92頁(yè)。674.峰值發(fā)射波長(zhǎng)p(Peak-emissionWavelength)：光譜輻射功率最大的值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。5.光譜半波寬Δ(FullWidthHalfMaximum，F(xiàn)WHM)：峰值發(fā)射波長(zhǎng)的輻射功率的1/2所對(duì)應(yīng)兩波長(zhǎng)的間隔。第六十七頁(yè)，共92頁(yè)。68九、LED的應(yīng)用

由于發(fā)光二極管的顏色、尺寸、形狀、發(fā)光強(qiáng)度及透明情況等不同，所以使用發(fā)光二極管時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行恰當(dāng)選擇。由于發(fā)光二極管具有最大正向電流IFm、最大反向電壓VRm的限制，使用時(shí)，應(yīng)保證不超過(guò)此值。為安全起見(jiàn)，實(shí)際電流IF應(yīng)在0.6IFm以下；應(yīng)讓可能出現(xiàn)的反向電壓VR<0.6VRm。LED被廣泛用于種電子儀器和電子設(shè)備中，可作為電源指示燈、電平指示或微光源之用。紅外發(fā)光管常被用于電視機(jī)、錄像機(jī)等的遙控器中。第六十八頁(yè)，共92頁(yè)。69（1）利用高亮度或超高亮度發(fā)光二極管制作微型手電的電路如圖6所示。圖中電阻R限流電阻，其值應(yīng)保證電源電壓最高時(shí)應(yīng)使LED的電流小于最大允許電流ＩFm。圖6第六十九頁(yè)，共92頁(yè)。70（2）圖7(a)、(b)、(c)分別為直流電源、整流電源及交流電源指示電路。圖(a)中的電阻≈（E-VF）/IF；圖(b)中的R≈（1.4Vi-VF）/IF;圖(c)中的R≈Vi/IF式中，Vi——交流電壓有效值。第七十頁(yè)，共92頁(yè)。71圖7第七十一頁(yè)，共92頁(yè)。72

（3）單LED電平指示電路。在放大器、振蕩器或脈沖數(shù)字電路的輸出端，可用LED表示輸出信號(hào)是否正常，如圖8所示。R為限流電阻。只有當(dāng)輸出電壓大于LED的閾值電壓時(shí)，LED才可能發(fā)光。圖8圖9第七十二頁(yè)，共92頁(yè)。73（4）單LED可充作低壓穩(wěn)壓管用。由于LED正向?qū)ê螅娏麟S電壓變化非?？欤哂衅胀ǚ€(wěn)壓管穩(wěn)壓特性。發(fā)光二極管的穩(wěn)定電壓在1.4～3V間，應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行選擇VF，如圖9所示。第七十三頁(yè)，共92頁(yè)。74

（5）電平表。目前，在音響設(shè)備中大量使用LED電平表。它是利用多只發(fā)光管指示輸出信號(hào)電平的，即發(fā)光的LED數(shù)目不同，則表示輸出電平的變化。圖10是由5只發(fā)光二極管構(gòu)成的電平表。當(dāng)輸入信號(hào)電平很低時(shí)，全不發(fā)光。輸入信號(hào)電平增大時(shí)，首先LED1亮，再增大LED2亮……。圖10第七十四頁(yè)，共92頁(yè)。75

（6）單色光LED應(yīng)用最初LED用作儀器儀表的指示光源，后來(lái)各種光色的LED在交通信號(hào)燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。以12英寸的紅色交通信號(hào)燈為例，在美國(guó)本來(lái)是采用長(zhǎng)壽命，低光效的140瓦白熾燈作為光源，它產(chǎn)生2000流明的白光。經(jīng)紅色濾光片后，光損失90%，只剩下200流明的紅光。而在新設(shè)計(jì)的燈中，Lumileds公司采用了18個(gè)紅色LED光源，包括電路損失在內(nèi)，共耗電14瓦，即可產(chǎn)生同樣的光效。第七十五頁(yè)，共92頁(yè)。76汽車信號(hào)燈也是LED光源應(yīng)用的重要領(lǐng)域。1987年，我國(guó)開(kāi)始在汽車上安裝高位剎車燈，由于LED響應(yīng)速度快（納秒級(jí)），可以及早讓尾隨車輛的司機(jī)知道行駛狀況，減少汽車追尾事故的發(fā)生。另外，LED燈在室外紅、綠、藍(lán)全彩廣告顯示屏得到了廣泛的應(yīng)用。第七十六頁(yè)，共92頁(yè)。77360°LED環(huán)型顯示器第七十七頁(yè)，共92頁(yè)。78工作原理第七十八頁(yè)，共92頁(yè)。79第七十九頁(yè)，共92頁(yè)。80十、白光LED的開(kāi)發(fā)第八十頁(yè)，共92頁(yè)。81白光LED的開(kāi)發(fā)對(duì)于一般照明，或顯示器的背照光而言，人們更需要白色的光源。1998年發(fā)白光的LED開(kāi)發(fā)成功。這種LED是將GaN芯片和釔鋁石榴石（YAG）封裝在一起做成。GaN芯片發(fā)藍(lán)光（λ=465nm，譜寬=30nm），高溫?zé)Y(jié)制成的含Ce3+YAG熒光粉受此藍(lán)光激發(fā)后發(fā)出黃色光發(fā)射，峰值550nm。藍(lán)光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹(shù)脂薄層，約200-500nm?，F(xiàn)在，對(duì)于InGaN/YAG白色LED，通過(guò)改變YAG熒光粉的化學(xué)組成和調(diào)節(jié)熒光粉層的厚度，可以獲得色溫3500-10000K的各色白光。第八十一頁(yè)