LED发光原理

LED发光原理 1. 我们可以把LED发光分成可见光(波長450~780nm)及不可见光LED(850~1550nm)。在可見光LED部份，若再依亮度來又分为传统亮度LED及高亮度LED，传统亮度LED主要以GaP、GaAsP及AlGaAs等材料做成，主要发出黃色到红色的光;高亮度LED主要以AlGaInP及GaInN等材料做成，高亮度依不同的材料能做到的发光范围较传统亮度要广，目前最热门的蓝光， 主要是用GaInN所做的晶粒。如下图: 2. 磊晶机器方面:目前化合物半导体的磊晶技术可分为四大类:液相磊晶法(LPE)、气相磊晶法(VPE)、有机金属气相磊晶法(MOVPE)以及分子束磊晶法(MBE)，能生产高亮度LED的是MOVPE(有机金属气相磊晶法)，较适用于ALINGAP和ALINGAN材料，发光颜色几 乎包括了全部可见光范围，所以是目前用的最多的。 3.LED衬底材料的种类 对于制作LED芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题。应该采用哪种合适的衬底，需 要根据设备和LED器件的要求进行选择。目前市面上一般有三种材料可作为衬底: ?蓝宝石(Al2O3) ?硅 (Si) ?碳化硅(SiC) 蓝宝石衬底 通常，GaN基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上。蓝宝石衬底有许多的优点:首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好;其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中;最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此，大多数工艺一般 都以蓝宝石作为衬底。图1示例了使用蓝宝石衬底做成的LED芯片。 图1 蓝宝石作为衬底的LED芯片 使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题，例如晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1011Ω?cm，在这种情况下无法制作垂直结构的器件;通常只在外延层上面制作n型和p型电极(如图1所示)。在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率降低、成本增加。由于P型GaN掺杂困难，当前普遍采用在p型GaN上制备金属透明电极的方法，使电流扩散，以达到均匀发光的目的。但是金属透明电极一般要吸收约30%~40%的光，同时GaN基材料的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的设备，这将会增加 生产成本。 蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在LED器件的制作过程 中却需要对它进行减薄和切割(从400nm减到100nm左右)。添置完 成减薄和切割工艺的设 备又要增加一笔较大的投资。 蓝宝石的导热性能不是很好(在100?约为25W/(m?K))。因此在使用LED器件时，会传导出大量的热量;特别是对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。为了克服以上困难，很多人试图将GaN光电器件直接生长在硅衬底上，从而改善导热和 导电性能。 硅衬底 目前有部分LED芯片采用硅衬底。硅衬底的芯片电极可采用两种接触方式，分别是L接触(Laterial-contact ,水平接触)和V接触(Vertical-contact，垂直接触)，以下简称为L型电极和V型电极。通过这两种接触方式，LED芯片内部的电流可以是横向流动的，也可以是纵向流动的。由于电流可以纵向流动，因此增大了LED的发光面积，从而提高了LED的出光效率。因为硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明显改善，从而延长了器 件的寿命。 碳化硅衬底 碳化硅衬底(美国的CREE公司专门采用SiC材料作为衬底)的LED芯片电极是L型电极，电流是纵向流动的。采用这种衬底制作的器件的导电和导热性能都非常好，有利于做成 面积较大的大功率器件。采用碳化硅衬底的LED芯片如图2所示。 图2 采用蓝宝石衬底与碳化硅衬底的LED芯片 碳化硅衬底的导热性能(碳化硅的导热系数为490W/(m?K))要比蓝 宝石衬底高出10倍以上。蓝宝石本身是热的不良导体，并且在制作器件时底部需要使用银胶固晶，这种银胶的传热性能也很差。使用碳化硅衬底的芯片电极为L型，两个电极分布在器件的表面和底部，所产生的热量可以通过电极直接导出;同时这种衬底不需要电流扩散层，因此光不会被电流扩散层的材料吸收，这样又提高了出光效率。但是相对于蓝宝石衬底而言，碳化硅制造成本 较高，实现其商业化还需要降低相应的成本。 三种衬底的性能比较 前面的内容介绍的就是制作LED芯片常用的三种衬底材料。这三种衬底材料的综合性能 比较可参见表1。 表1 三种衬底材料的性能比较 除了以上三种常用的衬底材料之外，还有GaAS、AlN、ZnO等材料也可作为衬底，通常根据设计的需要选择使用。