LED结构及原理讲述

1、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

2、，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,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,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,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 ba

3、ndgap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,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,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。

4、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,制造过程 结构特点（电极） 好处是什么,不用牺牲一部分发光区域，sic基板导电,有什么问题,早期红黄光led,gap/algainp/gaas absorbing substrate：gaas,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,none absorbing red yellow led结构，假设是ga

5、p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,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,with window layer,加一层很厚的窗口层，其厚度是发光

6、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,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

7、做在上面,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,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

8、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,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,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。 6

9、26,615,605,590.为p：最高强度所对应的波长,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,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

10、，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,目前主流led结构剖析,两种芯片发光形式,水平型结构led出光路线,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；

11、 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,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i

12、to.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,垂直芯片的制成,垂直芯片剖析,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。

13、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,四元dbr材料,mqw led器件结构示意图,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

14、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,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,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 ba

15、ndgap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,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。