半导体发光二极管基本知识

半导体发光二极管基本知识

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GaAs

1-x P

x

制成的同质结器件，以及GaP

掺锌氧对的红色器件，GaAs

1-x P

x

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 Diode）的基本结构

图<1>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<1>普通LED基本结构图

Emission Area

0.254×0.254

N Electrode

P Electrode GaP P Epi Layer GaP N Epi Layer GaP N Substrate

表<1> 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

波长

普通红 磷化镓 （GaP ） 700 高亮度红 磷砷镓 (GaAsP)

630

超高亮红 镓铝砷 (GaAlAs) 660 超高亮红

镓

铟

铝

磷 (AlGaInP)

625-640

普通绿、黄绿 磷化镓 （GaP ） 565-572

高亮绿

镓

铟

铝

磷 (AlGaInP)

572

超高亮绿 氮化镓 ( InGaN ) 505-540 普通黄、橙 磷砷镓 (GaAsP) 590,610

超高亮黄、橙

镓

铟

铝

磷 (AlGaInP)

590-610

蓝 氮化镓 ( InGaN ) 455-480 紫 氮化镓 ( GaN ) 400,430 白 氮化镓+荧光粉

460+YAG 红外

砷化镓 (GaAs)

>780

图<2>是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（(GaAlAs 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φ25μm和φ30μm两种规格，一般场合使用φ25μm金线，对于通过电流较大，可靠性要求较高的场合，则使用φ30μm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V

F

表示。

由不同材料制成的LED具有不同的V

F

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V

F 值有着重要影响。组装过程影响V

F

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V

F

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LED的电流，