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

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

Emission Area

0.254×0.254

N Electrode

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

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，

用符号I

R 表示。正常的LED，I

R

值应接近0。

反向漏电流的产生除了和管芯本身的质量有关外，还和组装时管芯安放状态有关。银浆粘污PN结和管芯崩裂是造成漏电的最主要因素。当银浆沾污PN结时，好像有一个电阻并联到结上，形成漏电通路，从而产生漏电。管芯崩裂是因为安放管芯时设备顶针位置调校不当，使管芯受损从而产生漏电，由于管芯崩裂现象镜检时较难发现且由此造成的漏电现象呈不稳定状态，使得在成品检测时易出现漏判，成为影响产品质量的一大隐患。

2.2 光度学及光度学参数