LED芯片简述模板.docx

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LED芯片简述模板

LED芯片原理简述

一、LED发光原理

1.1能带发光

下图是白光LED结构图与光谱图（图片来自日亚化11-243232）

图片中205是电极，203为导线、202为GaN芯片、201为YAG荧光粉、204为封装。

LED发光步骤：

A）电致发光：

（英文electroluminescent，简称EL），通过加在芯片pn结两电极（205、203）的电压产生电场，被电场激发的电子碰击激发态，引发电子能级的跃进、变化、复合导致发光或发热。

GaN芯片发蓝光（202）。

B）光致发光：

（photoluminescence，PL）光致发光，芯片发出的蓝光一部分被上层的荧光粉（201）吸收，一部分穿过荧光粉从表面出射。

被荧光粉吸收的光子能量经过能量传递，发生辐射跃迁（光发射）和非辐射跃迁（发热）。

LED表面发光光谱如上图，其中波长约450nm处蓝光来自芯片，530~630nm波峰来自荧光粉光辐射。

光的吸收及发射都发生于能级之间的跃迁。

下式是能带吸收与跃迁的能量公式，

为材料带能（单位eV），

为普朗克常数，

为光速，

为波长（单位为nm）

由上式可见，要得到蓝光发射的芯片，必须选用能带大于2.8eV的材料。

要得到黄光，选用的荧光粉材料能带也必须在

eV之间。

并且芯片发射的波长要比荧光粉发射的波长短（芯片能带比荧光粉能带要宽），否则荧光粉无法吸收来自芯片光发射的光能子，也就无法完成光致发光。

LED芯片pn结材料属于掺杂半导体材料，掺杂的元素在结附近形成势阱，使能带弯曲（具体见附录）。

发光效率问题

目前LED的发光效率仅能达到10%~20%,其余的能量转化为热能。

发光材料一般选用直接带隙材料，其导带底和价带顶处于布里渊区的同一个波矢空间，利于电子空穴的直接跃迁复合。

非间接带隙材料因导带底和价带顶波矢空间位置不一样，必须要靠声子（晶格振动）来进行跃迁复合，发光效率比直接带隙材料小几个指数量级。

但是把间接带隙材料做成量子（纳米级别）材料改变能带，发光效率能显著提高（由参杂的“杂质工程”到纳米材料的“能带工程”）。

LED通常通过pn结量子阱来提高辐射效率。

典型直接带隙材料GaN，间接带隙材料GaP。

减少能量对热能的转换，是提高LED发光效率的主要途径。

辐射复合（光发射）与非辐射复合（发热）之间的竞争决定了LED的内量子效率，如下式：

式中，Nt---非辐射复合中心密度；Et---非辐射复合中心能级能量；NL---辐射复合中心密度；EL---辐射复合中心能级能量；α0---通过一个电子陷阱从价带俘获一个空穴而发生的非辐射复合概率；β---通过一个空穴发光中心俘获一个电子而发生的辐射复合概率；n、p---自由电子和空穴浓度。

发光中心密度越大，非辐射复合中心密度越小，则内量子效率越高。

因此LED的材料和工艺均要避免非辐射中心如位错和深能级杂质的引入。

发热源：

电致发光及光致发光的能量转换很大一部分形成了热能。

主要是由于能量传递耗损以及缺陷捕获能量发热。

芯片外延层的晶格缺陷、荧光粉的晶格缺陷以及杂质，形成缺陷能级或杂质能级。

这些能级水平不足于形成光辐射，但其能量势阱依然会捕获电子空穴发生非辐射复合。

因此，外延层与衬底的晶格匹配度、外延层的晶体质量、荧光粉的纯度与质量直接影响LED灯发热量的多少，而芯片的发热又占了主要部分。

热传导：

芯片的发热只能通过衬底和电极散热。

衬底不只影响外延层的质量，还对散热至关重要。

下一节将对比各衬底的优劣势。

1.2衬底与外延层的物理匹配

衬底材料直接影响外延层的质量。

外延层与衬底匹配较好，则晶格完整，内量子效率高，发热较少。

匹配不好，则缺陷使晶格畸变，部分吸收的能量转成热能，降低发光效率。

衬底的导电性能决定电极的位置。

垂直结构可增大出光面。

衬底的导热性影响芯片的效率、稳定性、寿命。

几种芯片常用衬底优劣势对比如下面表格

衬底材料

晶格失配率

对GaN

导热系数

（W/（m.K））

膨胀系数

（*10e-6）

稳定性

导热性

成本

ESD

蓝宝石（Al2O3）

13%

46

1.9

一般

差

中

一般

硅（Si）

17%

150

5~20

良

好

低

好

碳化硅（SiC）

3.5%

490

-1.4

良

好

高

好

衬底

材料

优势

劣势

应用厂家代表

蓝宝石（Al2O3）

生产技术成熟、器件质量较好；

能够运用在高温生长过程中；

机械强度高，易于处理和清洗。

晶格失配和热应力失配，在外延层中产生大量缺陷；

为绝缘体，无法制作垂直结构的器件，有效发光面积减少；

增加了光刻和刻蚀工艺过程，使材料利用率降低、成本增加；

硬度高，切割成本高

日亚化

硅（Si）

热的良导体，延长了器件的寿命；

硅衬底的芯片电极可采用水平接触和垂直接触两种接触方式，电流可以纵向流动，增大了LED的发光面积，提高了LED的出光效率。

与GaN之间的热失配和晶格失配较大，不利于GaN外延层生长，（采用缓冲层解决问题）；

硅吸收可见光降低LED的外量子效率。

晶能光电

三垦电气Sanken

碳化硅（SiC）

碳化硅衬底的LED芯片电极是L型电极，电流纵向流动，采用这种衬底的器件导电和导热性能非常好，利于做成面积较大的大功率器件；

不需要电流扩散层，光不会被电流扩散层材料吸收，提高了出光效率。

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。

CREE

图1蓝宝石作为衬底的LED芯片

图2采用蓝宝石衬底与碳化硅衬底的LED芯片

1.3日亚化专利

1）蓝光芯片与制造日本国特许厅公开号：

06-177434，专利号2914065日亚化

蓝宝石衬底上外延GaN，外保护膜及电极制作

2）LED表示装置日本国特许厅公开号：

11-243232日亚化

蓝光GaN芯片+YAG荧光粉Dateofpublicationofapplication:

07.09.1999

与日亚化专利纠纷实例：

A）2006~2007年日本LED大厂日亚化（Nichia），控告南韩厂商首尔半导体（SeoulSemiconductorCo.,Ltd.）侵犯了日亚化关于白光LED的专利权，该公司于日本大阪地方法院提起这项诉讼。

侵权的专利号码为特许第3511970号、特许第2778349号，主要是GaN相关的LED材质专利权。

B）日亚公司已与美国零售商SharperImage，就其出售的产品侵犯日亚白光LED专利一事，达成了和解。

从第三方亚洲生产商购得的产品，据称侵犯了日亚公司的美国专利（美国专利号5,998,925）。

该项专利描述了利用氮化化合物半导体用作发光层，并结合磷光体制成白光LED的技术。

作为2004年4月开始的诉讼事件的一部分，日亚公司要求SharperImage停止包含白光LED的被控产品的行销业务。

C）200911月13日消息,日本LED巨头日亚化学（Nichia）宣布已经在美国发起针对中国大陆、香港地区以及加拿大厂商的专利侵权诉讼。

被日亚告上法庭的公司包括深圳市珈伟实业有限公司、珈伟科技（香港）有限公司、珈伟北美公司。

日亚在向美国联邦法院德州东部地区法院提交的控诉文件中表示,本次诉讼主要目的是要禁止这些公司继续销售侵权产品,以及追偿损害赔偿金。

日亚宣称这三家被告侵犯了日亚三项与白光LED有关的专利,包括USpatentno.5,998,925,7,026,756以及7,531,960,以及一个与LED芯片相关的专利（USpatentno.6,870,191）。

二、LED芯片制备与MOCVD　

金属有机化学气相沉积系统（MOCVD）是利用金属有机化合物作为源物质的一种化学气相淀积（CVD）工艺，该设备集精密机械、半导体材料、真空电子、流体力学、光学、化学、计算机多学科为一体，是一种自动化程度高、价格昂贵、技术集成度高的尖端光电子专用设备。

着眼点：

选择特殊的反应，来降低反应温度。

原料：

金属的烷基，芳基，氢基，乙酰丙酮基衍生物。

以AIXTRON公司的MOCVD为例，主要是由反应室，传送室，射频源以及气路部分构成。

它是利用金属有机源和参与反应的进程气体在一个低压高温的反应室中进行淀积，以生长出具有复杂掺杂层的芯片。

MOCVD设备昂贵，配套设施以及所需原材料也昂贵无比。

世界上最大的两家MOCVD生产商为德国的AIXTRON和美国的VEECO。

AIXTRON收购了Thomas，VEECO收购了Emcore。

现在是这两家独大。

日系的MOCVD一般只在日本本土占有市场。

上图是公司为北京大学宽禁带半导体研究中心引进的MOCVD设备

下图是南京大学实验室设备。

本系统为英国ThomasSwan公司制造，商用金属有机源汽相外延（MOCVD）材料生长系统，可用于制备以GaN为代表的第三代半导体材料。

MOCVD设备原理图及主要参数

本系统的主要原理如上图所示，其主要参数如下：

设备参数和配置：

外延片3×2英寸/炉

反应腔温度控制：

1200℃

压力控制：

0～800Torr

激光干涉在位生长监测系统

反应气体：

氨气，硅烷（纯度：

6N）

载气：

氢气，氮气；（纯度：

6N）

MO源：

三甲基镓（TMGa），三甲基铟（TMIn）,三甲基铝（TMAl），二茂基镁（Cp2Mg）（纯度：

外延级）

各路气体在反应室内经过各种化学反应，生成所需物质（GaN），沉积在衬底上，在高温条件下长成晶体，形成外延层。

生产的外延层经过下面制作，形成LED芯片：

LED芯片的制造工艺流程

外延片→清洗→镀透明电极层→透明电极图形光刻→腐蚀→去胶→平台图形光刻→干法刻蚀→去胶→退火→SiO2沉积→窗口图形光刻→SiO2腐蚀→去胶→N极图形光刻→预清洗→镀膜→剥离→退火→P极图形光刻→镀膜→剥离→研磨→切割→芯片→成品测试。

三、国内LED发展状况

3.1国内LED上游企业的成本构成概要

LED外延产品分为四元系和蓝光系列两种，各种产品的成本由于原材料差异而有所不同。

上游衬底厂商主要有Honeywell公司、京瓷公司、三菱公司等，而MO源供应厂商主要有EPICHEM公司、RohmHuss公司等。