LED电极结构对LED特性的影响.docx

1、LED电极结构对LED特性的影响第一章 绪论1.1引言LED的概述31.2 GaN LED的介绍及其发展前景31.2.1 LED的基本结构 31.2.2 LED的发展及优势41.3 LED的发光原理51.4 LED基本光电参数71.5 LED的应用111.6 LED光源的特点14第二章LED电极结构对LED特性的影响162.1 5插枝电极结构的LED模拟分析18 2.2 7插枝电极结构的LED模拟分析22 2.3旋转型电极结构的LED模拟分析25 2.4不同电极结构队LED出光效率影响28 2.5插枝电极结构的个数优化35第三章 心得体会38 第一章 绪 论1.1引言LED的概述LED（Lig

2、ht Emitting Diode），中文含义是发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，可以直接把电转化为光，具有体积小、耗电量低、使用寿命长、亮度高、热量低、环保、耐用等特点。主要应用于各种室内、户外显示屏，汽车内部的仪表板、刹车灯、尾灯，电子手表，手机等。LED产业链主要包括4个部分：LED外延片、LED芯片制造、LED器件封装和产品应用，此外，还包括相关配套产业。一般来说，外延属于LED产业链的上游，芯片属于中游，封装和应用属于下游。上游属于资本、技术密集型的领域，而中游和下游的进入门槛则相对较低LED 制作材料通常为砷、磷、镓等 - 族元素，制作过程包括上游的晶圆制

3、作、磊晶成长，中游的扩散制程、金属蒸镀、晶粒制作，以及下游的产品封装及应用市场等。目前，国内市场主要是下游产品封装与应用，欠缺的是上游核心技术，这也是正等待我们去研究、努力攻克的课题。1.2 GaN LED的介绍及其发展前景1.2.1 LED的基本结构所谓LED，就是发光二极管，顾名思义发光二极管是一种可以将电能转化为光能的电子器件，具有二极管的特性。基本结构为一块电致发光的半导体模块（如图1.1），封装在环氧树脂中，通过针脚作为正负电极并起到支撑作用。LED的心脏是一个半导体的晶片（如图1.2），晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体

4、晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。此外，发光二极管的结构主要由PN结芯片，电极和光学系统组成。 图1.1 LED构造图 图1.2 贴片LED1.2.2 LED的发展及优势 1LED的发展 近年来，世界上一些经济发达国家围绕LED的研制展开了激烈的技术竞赛。美国从2000年起投资5亿

5、美元实施“国家半导体照明计划”，欧盟也在2000年7月宣布启动类似的“彩虹计划”。我国科技部在“863”计划的支持下，2003年6月份首次提出发展半导体照明计划但是，由于投入在技术和推广上的成本居高不下，使得令万千消费者翘首以待的LED照明产品一直可望而不可及，迟迟未能揭开其神秘的贵族面纱！经过近几年的发展，LED的成本已有所下降，慢慢进入日常生活中。随着全球LED市场需求的进一步加大，未来我国LED产业发展面临巨大机遇。然而，目前LED核心技术和专利基本被国外垄断，国内企业在快乐中痛苦前行。 2008年，北京奥运会开幕式上，神奇的“画卷”彩屏出自中国金立翔科技有限公司；2009年，国庆60周

6、年阅兵式，天安门广场上的巨幅彩屏出自中国利亚德电子科技有限公司；2010年，上海世博会开幕式上，1万平米的半导体发光二极管（Light Emitting Diode，简称LED）大屏幕出自中国锐拓显示技术有限公司作为目前全球最受瞩目的新一代光源，LED因其高亮度、低热量、长寿命、无毒、可回收再利用等优点，被称为是21世纪最有发展前景的绿色照明光源。我国的LED产业起步于20世纪70年代，经过近40年的发展，现已形成上海、大连、南昌、厦门、深圳、扬州和石家庄7个国家半导体照明工程产业化基地，产品广泛应用于景观照明和普通照明领域，我国已成为世界第一大照明电器生产国和第二大照明电器出口国。2.LED

7、的优势：1.寿命非常长2.LED元件的体积非常小3.LED的发出的光线能量集中度很高4.LED响应时间非常快5.LED的发光指向性非常强6.LED使用低压直流电即可驱动7.能够较好地控制发光光谱组成8.可以通过控制半导体发光层半导体发光层半导体材料的禁止带幅9.显色性高1.2.3 LED的发光原理：在PN结的两端加上正向偏置电压后，空穴和自由电子相互移动形成内电场。随后新注入的空穴和自由电子再重新复合，复合的同时以光子的形式释放多余的能量，这个能量就是LED发出的光（如图1.3）。发光二极管 LED (Light Emitting Diode) 是利通过智能控制时发光绚丽多彩。用二极管內电子与

8、空隙结合过程中能量转换产生光的输出。LED可以发出多种色光，可以通过智能控制时发光绚丽多彩。 图 1. 3 LED发光原理LED是由-族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。LED的基本结构为一块电致发光的半导体模块，封装在环氧树脂中，通过针脚作为正负电极并起到支撑作用。主要由PN结芯片、电极和光学系统组

9、成。 实际上LED，就是发光二极管（light emitting diode）。其发光过程包括三部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中，当电子经过该晶片时，带负电的 电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与 光的颜色对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色 的光。 LED照明光源的主流将是高亮度的白光LED。目前，已商品化的白光LED多是二波长

10、，即以蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉混合产生白光。未来较被 看好的是三波长白光LED，即以无机紫外光晶片加红、蓝、绿三颜色荧光粉混合产生白光，它将取代荧光灯、紧凑型节能荧光灯泡及LED背光源等市场。PN结（1）PN结的形成 动画演示当型半导体和型半导体结合时，由于交界面处存在的载流子浓度差，于是电子和空穴都会从高浓度区域向低浓度区域扩散。我们知道，电子与空穴都是带 电的，其扩散的结果就导致了区和区原来的电中性被破坏。这样，区一侧失去空穴剩下不能移动的负离子，区一侧失去电子而留下不能移动的正离子。这些 不能移动的带电粒子就是空间电荷。在空间电荷集中在区和区交界面附近，形成了一很薄的空间电荷区，就

11、是P-N结 。在P区一侧为负电荷，N区为正电荷，于是空间电荷区，便出现了由N到P的电场(如图1.4)。这个电场是载流子扩散运动形成的，而不是外加电压形成的，这便是内电 场。由于内电场的存在，使得P-N结处于动态平衡状态（如图1.5）。 图1.4 图1.5 当我们给P-N结一个正向电压，便改变了P-N结的动态平衡。注入的少数载流子（少子）与多数载流子（多子）复合时，便将多余的能量以光的形式释放 出来，从而把电能直接转换为光能。如果给PN结加反向电压，少数载流子（少子）难以注入，故不发光。利用注入式电发光原理制作的二极管就是我们常说得发光二极管，即LED。在LED得两端加上正向电压，电流从LED阳

12、极流向阴极时，半导体晶体就发 出从紫外到红外不同颜色的光线。调节电流，便可以调节光的强度。(2)PN结最重要的特性：具有单向导电性 动画演示可以通过改变电流可以变色，这样可以通过调整材料的能带结构和带隙，便可以多色发光。1.2.4 LED基本光电参数(1).电参数几种光所对应的顺向电压如图1.6所示： 图1.6 几种光所对应的正向电压IF 正向电流：正向工作电流IF：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6IFs以下。以正常的寿命讨论，通常标准 IF 值设为 20 30mA ，瞬间（20ms）可增至100mA ；IF 值增大：寿命缩短、VF 值增大、波长偏

13、低、温度上升、亮度增大、角度不变。VF：正向工作电压： 正向工作电压指正向电流流过LED材料上所产生的电压值。VZ：反向电压： 反向电压指逆向电流流过LED材料上所产生的电压值。IR反向击穿电流：IR 是反映二极管的反向特性， IR 值太大说明 P/N 结特性不好，很快快被击穿； IR 值太小或为说明二极管的反向很好；通常 IR 值较大时 VR 值相对会小， IR 值较小时 VR 值相对会大；R 的大小与芯片本身和封装制程均有关系，制程主要体现在银胶过多或侧面沾胶，双线材料焊线时焊偏，静电亦会造成反向击穿，使 IR 增大。 VR 反向击穿电压：VR 是衡量 P/N 结反向耐压特性，当然 VR

14、赿高赿好。VR 值较低在电路中使用时经常会有反向脉冲电流经过，容易击穿变坏。VR 又通常被设定一定的安全值来测试反向电流（ IF 值），一般设为 5V。红、黄、黄绿等四元芯片反向电压可做到 20 40V ，蓝、纯绿、紫色等芯片反向电压只能做到 5V 以上。 (2).光参数光通量： （lm） 发光强度为1CD的均匀点光源在单位立体角内发出的光通量，单位流明（LM）。 由于人眼对不同波长的电磁波具有不同的灵敏度，我们不能直接用光源的辐射功率或辐射通量来衡量光能量，必须采用以人眼对光的感觉量为基准的单位-光通量来衡量。光通量用符号表示，单位为流明（lm）。发光强度： （cd）通常，一个光源在各个方向

15、上有着不同的照射强度。光源在单位立体角内发射的光通量 光通量是说明某一光源向四周空间发射出的总光能量。不同光源发出的光通量在空间的分布是不同的。发光强度的单位为坎得拉，符号为cd，它表示光源在某单位球面度立体角(该物体表面对点光源形成的角)内发射出的光通量。1 cd = 1 lm/1 sr （sr：立体角的球面度单位）。峰值波长： 光谱辐射功率最大的值所对应的波长。光谱半波宽 峰值发射波长的辐射功率的1/2所对应两波长的间隔。光谱宽度窄意味着单色性好，发光颜色鲜明，清晰可见。相对光谱能量（功率）分布 在光辐射波长范围内，各个波长的辐射能量分布情况。 亮度： 亮度（cd/m2)是表示眼睛从某一方

16、向所看到物体发射光的强度。单位为坎德拉/平方米cd/m2，符号为L，表明发光体在特定方向单位立体角单位面积内的光通量，它等于1平方米表面上发出1坎德拉的发光强度。 色温：当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时，黑体的温度就称为该光源的色温，用绝对温度K（开尔文，开氏度 = 摄氏度 + 273.15 ）表示。 显色性(Color rendering property) 原则上，人造光线应与自然光线相同，使人的肉眼能正确辨别事物的颜色，当然，这要根据照明的位置和目的而定。 光源对于物体颜色呈现的程度称为显色性。通常叫做显色指数（Ra）。显色性是指事物的真实颜色（其自身的色泽）与某

17、一标准光源下所显示的颜色关系。Ra值的确定，是将DIN6169标准中定义的8种测试颜色在标准光源和被测试光源下做比较，色差越小则表明被测光源颜色的显色性越好。 I-V 特性表征LED芯片pn结制备性能主要参数。LED的I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。（如图1.7）： 图1.7 I-V特性曲线图1.8显示了典型 InGaAlP LED(黄色和琥珀红)的正向电压特性。也可以把 LED 作为电压源与电阻串联建模，并查看模型与实际测量之间的良好关联性。电压源有一个负的温度系数，当结温上升时，电压源的正向电压会发生负的变化。InGaAlP LED

18、的系数在-3.0mV/K-5.2mV/K 之间，而 InGaN LED(蓝色、绿色和白色)的系数则在-3.6mV/K-5.2mV/K 之间。这就是为什么不能直接对 LED 进行并联的原因。产生热量最多的器件需要更大的电流，更大的电流会产生更多的热量，进而引起散热失控。图1.8：LED作为电阻与电压源串联建模 图2显示了作为工作电流函数的相对光输出(光通量)。很明显，光输出与二极管电流是密切相关的，因此，可以通过改变正向电流进行调光。并且，在电流较小时，曲线几乎是一条直线，但是在电流增大时，其斜率变小了。这就是说，在电流较低的时候，若将二极管电流增大一倍，则光输出也会增加一倍;但是电流较高的时候

19、，情况就不是这样了：电流上升 100% 仅能使光输出量增加 80%。这一点很重要，因为 LED 是由开关电源驱动的，这会导致在 LED 中产生相当大的纹波电流。实际上，电源的成本在某种程度上是由所允许的电流大小决定的，纹波电流越大，电源成本就越低，但光输出会因此受到影响。1.2.5 LED的应用1.指示类2.LED背光类3.LED显示屏类4.手持产品背光，闪光类5.汽车应用类6.通用照明类7.景观照明类8.特殊照明类 图1.9 LED的应用领域LED应用范围： LED驱动通常分为三种：（1）阻限流驱动 （2）恒流驱动 （3）恒压驱动（1）显示屏、交通讯号显示光源的应用LED 灯具有抗震耐冲击、

20、光响应速度快、省电和寿命长等特点，广泛应用于各种室内、户外显示屏，分为全色、双色和单色显示屏，全国共有100 多个单位在开发生产。交通信号灯主要用超高亮度红、绿、黄色LED, 因为采用LED 信号灯既节能，可靠性又高，所以在全国范围内，交通信号灯正在逐步更新换代，而且推广速度快，市场需求量很大，是个很好的市场机会。 汽车工业上的应用汽车用灯包含汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯以及头灯等。汽车用白炽灯不耐震动撞击、易损坏、寿命短，需要经常更换。1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯。由于LED响应速度快, 可以及早提醒司机刹车，减少汽车追尾事故，在

21、发达国家，使用LED制造的中央后置高位刹车灯已成为汽车的标准件，美国HP公司在1996年 半导体照明(1) 推出的LED汽车尾灯模组可以随意组合成各种汽车尾灯。此外，在汽车仪表板及其他各种照明部分的光源，都可用超高亮度发光灯来担当，所以均在逐步采用LED 显示。我国汽车工业正处于大发展时期，是推广超高亮度LED 的极好时机。近几年内会形成年产10亿元的产值，5 年内会形成每年30 亿元的产值。(2) LED背光源以高效侧发光的背光源最为引人注目，LED作为LCD背光源应用，具有寿命长、发光效率高、无干扰和性价比高等特点， 已广泛应用于电子手表、手机、BP机、电子计算器和刷卡机上，随着便携电子产

22、品日趋小型化，LED背光源更具优势，因此背光源制作技术将向更薄型、低功耗和均匀一致方面发展。LED是手机关键器件，一部普通手机或小灵通约需使用10 只LED器件，而一部彩屏和带有照相功能的手机则需要使用约20 只LED器件。现阶段手机背光源用量非常大，一年要用35 亿只LED芯片。目前我国手机生产量很大，而且大部分LED背光源还是进口的，对于国产LED产品来说，这是个极好的市场机会。(3) LED照明光源早期的产品发光效率低，光强一般只能达到几个到几十个mcd，适用在室内场合，在家电、仪器仪表、通讯设备、微机及玩具等方面应用。目前直接目标是LED光源替代白炽灯和荧光灯，这种替代趋势已从局部应用

23、领域开始发展。日本为节约能源，正在计划替代白炽灯的发光二极管项目( 称为 照亮日本) ，头五年的预算为50 亿日元，如果LED替代半数的白炽灯和荧光灯，每年可节约相当于60 亿升原油的能源, 相当于五个1.35 106kW 核电站的发电量，并可减少二氧化碳和其它温室气体的产生，改善人们生活居住的环境。我国也于2004 年投资50 亿大力发展节能环保的半导体照明计划。 其它应用例如一种受到儿童欢迎的闪光鞋，走路时内置的LED会闪烁发光，仅温州地区一年要用5 亿只发光二极管；利用发光二极管作为电动牙刷的电量指示灯，据国内正在投产的制造商介绍, 该 LED灯具(4) 公司已有少量保健牙刷上市，预计批

24、量生产时每年需要3 亿只发光灯；正在流行的LED圣诞灯，由于造型新颖、色彩丰富、不易碎破以及低压使用的安全性，近期在香港等东南亚地区销势强劲，受到人们普遍的欢迎，正在威胁和替代现有电泡的圣诞市场。(6)家用室内照明的LED产品越来受人欢迎，LED筒灯，LED天花板，LED日光灯，LED光纤灯已悄悄地进入家庭！1.2.6 LED光源的特点： 1.蓝宝石衬底LED中的电流集聚（拥挤）效应绝缘蓝宝石衬底上的GaN基发光二极管(LED)中,由于横向电阻的存在造成了靠近n型电极台面边缘局部区域电流拥挤,为此从焦耳热和金属电迁移两方面研究了电流拥挤效应对器件可靠性的影响,加速寿命实验结果表明:电流均匀扩展

25、可以使可靠性得到有效改善。更多还原GaN基LED的电流扩展效应,发现电流密度和电流横向扩展的有效长度对电流均匀扩展有很大影响.基于此,对GaN基大功率LED提出了优化的电极结构,以减缓电流拥挤效应,降低器件串联电阻.通过用红外热像仪测量器件表面的温度分布,发现具有优化的环形插指电极结构的GaN基大功率LED表面温度分布比较均匀,证明芯片接触处电流扩展均匀,局部电流密度降低,减小了焦耳热的产生,增强了器件的可靠性.2.LED的电极结构LED芯片是单电极还是双电极,取决于芯片材料. 一般来说,二元(GaAs,),三元(GaAsP),四元(AlGaInP),SiC材料的采用单电极结构,上正下负,因为

26、这些衬底材料可导电,仅需在上面做单个电极.如是用蓝宝石(人造的)作衬底的(一般是蓝绿光),因该材料不导电,所以,正负极都做在同一面,所以是双电极. 至于性能上,大部分无可比性,唯一可比的是,SiC的蓝绿光(单电极)和蓝宝石的蓝绿光(双电极)作比较,区别如下: 1. 因衬底材料不同,导致芯片可靠性不同,单电极的好于双电极的. 2. 单电极的ESD优于双电极; 3. 单电极的价格高于双电极,原因是工艺难度不同;GAN基LED器件结构与工艺:LED器件芯片大都是用金属有机物气相沉积法MOCVD或分子束外延法MBE在80UM厚的蓝宝石衬底上先生长一层低温GAN缓冲层，再在高温条件下外延一层N_GAN，

27、接着在N_GAN外延层上生长512层的多量子陷层，然后在多量子陷层上外延P_GAN层，接着在P_GAN层上制作ITO透明电极并淀积金属HI/AU作为P电极，最后刻蚀掉部分P_GAN与N_GAN，露出N_GAN并制作N电极，N电极采用金属TI/NI/AU。 电极结构，其包括：第一电极，该第一电极包括至少两个第一环指部分、至少一个第一连接部分以及至少一个第一接触部分，每一第一环指部分与第一连接部分相连，第一接触部分设于第一环指部分上；以及第二电极，该第二电极包括至少两个第二环指部分、至少一个第二连接部分以及至少一个第二接触部分，每一第二环指部分与第二连接部分相连，第二接触部分插入于第二连接部分的拐

28、角处；第二电极呈封闭状环绕第一电极，并且第一电极每一部分与第二电极对应部分之间具有一定间距。本发明使得发光元件的电流分布更为均匀、发热更为均匀。一基底由GaAs或GaP制成，作为磊晶的基板；一发光二极管pn接面，由磊晶技术磊晶于基底之上；一氧化硅膜，形成于晶粒四周围，以减少切割道附近的电场强度；一透明导电层，形成在p型半导体及氧化硅上，使正电压均匀加于P型半导体层上；一金属遮光反射层，由金锗合金或金的金合金制成，沉积于透明导电层上，中间有一开口使光经由此开口射出；一接线垫，以铝或铝合金或金制成，一长条形形成在晶粒的一侧以作正极联机的接线垫；一基底金属负极，形成在基底上作为光的反射层及负电极以连

29、接于基板或印刷电路板上。 一种单电极LED芯片结构，包括n金属电极层、蓝宝石衬底粗化层、蓝宝石衬底、外延层、钝化层、透明电极层及焊料层，所述的焊料层表面上通过光学镀膜的方式形成有DBR光学反射层，所述的焊料层底部设置有一高导电导热基座层；本实用新型所述的单电极LED芯片通过采用高导热导电基座取代高热阻及绝缘的原衬底，使得芯片散热能力显著改善，由于量子阱的电-光转换效率是随着温度的增加而降低，LED芯片在散热性能上的改善使得芯片可以在大电流下仍然维持较高的电-光转换效率，实现大功率高亮度；同时本实用新型将芯片倒置，利用DBR光学反射层使得取光方向改道透明的蓝宝石衬底，提高了芯片的外量子效率，增加

30、取光效率。图1.10双异质结GaN蓝光LED1.电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别试用于公共场所。 2.效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80% 3.试用性：很小，每个单元LED小片是3-5MM的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境 4.稳定性：10万小时，光衰为初始的50% 5.响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级 6.对环境污染：无有害金属汞 7.颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED

31、在红，橙区的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域的光效可以达到流明/瓦。LED的特点非常明显，冷性发光不产生，元件寿命长( 十万小时以上 )，反应速度很快，体积小，光效高，无辐射与低功耗，适合量产，环保。LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可超过150lm/W（2010年）。将LED与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5三基色荧光灯进行对比，结果显示：普通白炽灯的光效为12lm/W，寿命小于2000小时，螺旋节能灯的光效为60lm/W，寿命小于8000小时，T5荧光灯则为96lm/W，寿命大约为10000小时，而直径为5毫米的白光LED光效理论上可以超过150lm/W，寿命可大于100000小时。 LED灯泡以及灯具图片 第二章LED电极结构对LED特性的影响APSYS软件介绍及模拟步骤本节GaN LED的电极结构进行了优化设计与模拟，使用的模拟软件是Crosslight公司的Apsys软件。APSYS软件基于2/3维的有限元分析方法，其基本原理是用户建立自己的器件结构以及设置材料参数，通过