半导体发光二极管基本知识和工艺简介(修正稿)

半导体发光二极管基本知识和工艺简介

导 言

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GaAs1-xPx 制成的同质结器件，以及GaP掺锌氧对的红色器件，GaAs1-xPx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

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φ30

μm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VF表示。

由不同材料制成的LED具有不同的VF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VF值有着重要影响。组装过程影响VF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VF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IR表示。正常的LED，IR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臵调校不当，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 2.2.1 能量的辐射分布

光源的总辐射能量是各种波长能量之和，波长不同能量也不同。我们称发光器件的辐射能量随波长而变化的情况为发光器件辐射能量的光谱分布，以Pλ表示。发光器件在λ1和λ2范围内的辐射功率可表示为：

λ2

Pλ1Pλ2 = ∫ Pλdλ (1 )

λ1

Pλ是一个相对的分布函数。光谱分布的两个主要参数是它的峰值波长和光谱带宽。

（1） 峰值波长λp

峰值波长λp是指光谱强度最大处的波长, 它可以由光谱图很容易地确定。图<3>是CaN绿色LED的光谱曲线, 由曲线可见, 其峰值波长是505 nm。

（2） 半波宽度Δλ0.5

半波宽度Δλ0.5由λp两边的两个波长

”0. 5 求得： ’ 0. 5 -Δλλ

”Δλ0. 5 =λ’0. 5 -λ0. 5 (2)

图<3> CaN绿色LED的光谱曲线

2.2.2 辐射度量及单位

辐射度学是有关某一给定辐射体的光辐射能量或功率的, 光谱涉及从紫外光到红外光的整个范围, 与人眼对亮度和颜色的灵敏度无关。

基本的辐射度参数有4个： （1）辐射通量或辐射功率

辐射功率P定义为一个光源在单位时间内发射的总功率：

P = （3） 辐射功率的单位为瓦特（W）。 （2） 辐射强度

辐射强度J定义为单位时间、单位立体角内发射的功率：

dP

J = （4） dω

J的单位是：瓦/球面度 （W/Sr）

这里的立体角就是以点光源为顶点的一个封闭锥体的锥角，其大小等于锥体底面积A与锥体的斜边边长r的平方成之比，即：

dω 2 （5） r

（3） 辐射照度

落在单位面积上通量的数值，称为辐射照度H。

dP ( 6 )

dσ

dp 是落在元表面上的通量值。辐射照度H用瓦/平方米（W/m2）作单位。 由以上公式可推得某一点光源的辐射强度J和辐射照度之间的关系：

dP

H = dσ = = J/r2 (7)

dσ

(4) 辐射亮度

考虑辐射源上表面dσ，以此为顶点的立体角内dω内的辐射通量为dp，dω的轴线v与dA的法线n成θ角，如图（4）所示。

dp与dω及dσ在v方向的有效截面积dσcosθ 有关，即：

dp = Rθdσcosθdω （8） 或：

dp

Rθ= （9）

dσcosθ dω

图<4>

Rθ就称为面辐射源在角θ所决定方向v上的亮度，也就是在给定方向上单位有效截面积在单位立体角内的辐射通量值。Rθ的数值与辐射面的性质有关，并且随给定方向而改变，通常以W/〃Sr 为单位。

2.2.3 光度量及单位 2.2.3.1 视见函数

对于可见光的辐射通常采用 …… 此处隐藏：2509字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……