LED外延基础知识byEntropy
LED基础知识大全集(入行科普,新员工入职培训)
给文科生的LED知识大全集随着标准化设备的导入，规模化与模块化的产业过程，技术不再是深不可测，工艺优化，设备优化变成主旋律，未来，掌握了LED基本知识，活用这些知识之后，你就会了解，高深的科技理论不过就是我所推广的简单道理。
叶国光LEDinside做LED这个行业这么久了，很多技术与术语我们都会觉得理所当然，很容易理解，但是细细想又很难系统性地道出个所以然，所以这次我试着来写一篇LED 的基本科普文章，希望对想了解LED的人有所帮助，或者就权当是知识的巩固了，看到最后会发现，活用这些基本知识，会比想象中更简单。
◆发光二极管(LED：Light Emitting Diode)原理介绍▲发光二极管的构造1发光二极管(LED)都是使用「化合物半导体」制作，二种以上的元素键结形成的半导体，称为「化合物半导体」。
例如：砷化镓(GaAs)属于三五族化合物半导体(3A族的镓与5A族的砷)、硒化镉(CdSe)属于二六族化合物半导体(2A族的镉与6A族的硒)等固体材料，化合物半导体的发光效率极佳，因此我们大多利用它来制作发光组件，例如：砷化镓(GaAs)是属于「直接能隙(Direct band gap)」，所以砷化镓晶圆所制作的组件会发光，一般都用来制作发光二极管(LED)、激光二极管(LD)等发光组件。
发光二极管(LED)的构造如图一(a)所示，直插的灯珠外观呈椭圆形，尺寸与一颗绿豆差不多，但是真正发光的部分只有图中的「芯片(chip)」而已，芯片的尺寸与海边的一粒砂子差不多，这么小的一个芯片就可以发出很强的光，由于发光二极管的芯片很小，所以一片2吋的砷化镓晶圆就可以制作数万个芯片，切割以后再封装，形成如图一(a)的外观，发光二极管的制程与硅晶圆的制程相似，都是利用光刻微影、掺杂技术、蚀刻技术、薄膜成长制作而成。
1(图一发光二极管(LED)的构造与工作原理)▲发光二极管的基本原理如果我们将二极管的芯片放大，如图一(b)的氮化镓发光二极管所示，有金属电极，中间有N型与P型的氮化镓与电极，当发光二极管与电池连接时，电子由电池的负极流入N型半导体，空穴由电池的正极流入P型半导体，电子与空穴在P型与N型的接面处结合，并且由芯片的上方发光，经过椭圆形的塑料封装外壳，由于椭圆形的塑料封装外壳类似凸透镜，具有聚光的效果，可以使发出来1的光线「比较集中」。
LED基础知识培训-外延、芯片_图文(精)
LED基础知识培训-外延、芯片王立 2009-3-16 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation内容提要 1 2 3 4 LED器件基础知识 LED器件基础知识 LED材料生长 LED材料生长 LED芯片制造芯片制造高效率LED芯片设计芯片设计高效率 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi CorporationLED器件基础知识 1、半导体发光的概念发光是物体内部以某种方式吸收的能量转化为光辐射的过程。
发光是一种非平衡辐射。
区分各种非平衡辐射的宏观光学参量是辐射期间—去掉激发后辐射还可延续的时间。
发光的辐射期间在10-11秒以上。
Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi CorporationLED器件基础知识半导体发光的不同形态粉末发光。
薄膜发光。
结型发光。
通常所说的半导体发光是指结型发光——器件的核心在于p-n结。
半导体照明技术是结型电致发光和粉末光致发光的结合。
Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi CorporationLED器件基础知识 2、半导体发光的研究历史 1907 ! Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi CorporationLED器件基础知识 1923, O.W. Lossev of Russia reported electroluminescent light emission in silicon carbide crystals. 1937, F. Destriau of France reported (field-excited electroluminescence of zinc sulfide powders. 1939 – 1944 World War II 1951 – Solid State Lighting potential resurfaced when a team of researchers led by Kurt Lehovec started to investigate the electroluminescent potential of silicon carbide. 1962 – Nick Holonyak Jr, working at General Electric, gave the first practical demonstration of LEDs. 1968 – HP Labs develops the first commercially available light-emitting diode. GE, Bell Labs make the same claim. LEDs were first invented in England, Korea and China as well, depending upon who you talk to. …… 1994 –高亮度蓝光LED实现产业化，半导体照明成为可能。
完整版LED基础知识及外延工艺共44页
21、静念园林好，人间良可辞。 22、步步寻往迹，有处特依依。 23、望云惭高鸟，临木愧游鱼。 24、结庐在人境，而无车马喧；问君 何能尔 ？心远 地自偏 。 25、人生归有道，衣食固其端。
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 —Байду номын сангаас左
LED基本理论知识11页word文档
LED基本理论知识半导体发光器件包括半导体发光二极管（简称LED）、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）等。
事实上，数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。
一、半导体发光二极管工作原理、特性及应用（一）LED发光原理发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ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，如图1所示。
此主题相关图片如下：假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。
除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。
发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。
由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在*近PN结面数μm以内产生。
理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即λ≈1240/Eg（mm）式中Eg的单位为电子伏特（eV）。
若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。
比红光波长长的光为红外光。
现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。
（二）LED的特性1．极限参数的意义（1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。
超过此值，LED发热、损坏。
（2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。
超过此值可损坏二极管。
（3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。
led外延方法原理
led外延方法原理LED外延方法原理LED（Light Emitting Diode）是一种能够发光的半导体器件，其发光原理是基于半导体材料的电致发光效应。
而实现LED器件生长的一种常用方法就是外延方法。
本文将介绍LED外延方法的原理和过程。
一、外延方法的定义和原理外延方法是指在已有晶片基片上，通过化学气相沉积或分子束外延等技术，沉积形成与晶片基片具有相同晶格结构的材料层。
在LED 制造中，外延方法用于在晶片基片上生长各种半导体材料层，从而形成LED器件的结构。
外延方法的基本原理是利用化学反应或物理沉积的方式，在晶片基片上沉积相应的半导体材料。
在LED制造中，常用的外延方法有金属有机化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延（MBE）等。
二、外延方法的过程1. 晶片基片准备：选择适合LED生长的基片材料，如蓝宝石（sapphire）或碳化硅（SiC）等。
对基片进行表面处理，以提高生长质量。
2. 生长前处理：对基片进行预处理，如去除氧化物，清洗表面等，以确保生长过程中的杂质和缺陷尽可能少。
3. 生长材料选择：根据所需的LED器件结构和性能要求，选择适当的半导体材料进行生长。
常用的材料有氮化镓（GaN）、磷化镓（GaP）等。
4. 生长过程：将选择的材料以气体的形式输入到反应室中，通过化学气相沉积或分子束外延等方法，使材料在基片表面结晶生长。
控制生长条件，如温度、气压、流量等，以获得所需的材料结构和性能。
5. 生长结束和后处理：根据需要，可以进行退火、清洗、切割等后续处理，以优化材料的质量和器件的性能。
三、外延方法的优势和应用外延方法具有以下优势：1. 可控性高：外延方法可以精确控制材料的厚度、组分和结构，从而满足不同LED器件的要求。
2. 生长速度快：外延方法可以实现大面积、均匀的材料生长，提高生产效率。
3. 可扩展性强：外延方法适用于各种基片材料和材料组合，具有较强的可扩展性和适应性。
外延方法在LED制造中得到广泛应用。
LED外延片基础知识
LED外延片基础知识外延片的生产制作过程是非常复杂，展完外延片，接下来就在每张外延片随意抽取九点做测试，符合要求的就是良品，其它为不良品(电压偏差很大，波长偏短或偏长等)。
良品的外延片就要开始做电极(P极，N极)，接下来就用激光切割外延片，然后百分百分捡，根据不同的电压，波长，亮度进行全自动化分检，也就是形成LED晶片(方片)。
然后还要进行目测，把有一点缺陷或者电极有磨损的，分捡出来，这些就是后面的散晶。
此时在蓝膜上有不符合正常出货要求的晶片，也就自然成了边片或毛片等。
不良品的外延片(主要是有一些参数不符合要求)，就不用来做方片，就直接做电极(P极，N极)，也不做分检了，也就是目前市场上的LED大圆片(这里面也有好东西，如方片等)。
半导体制造商主要用抛光Si片(PW)和外延Si片作为IC的原材料。
20世纪80年代早期开始使用外延片，它具有标准PW所不具有的某些电学特性并消除了许多在晶体生长和其后的晶片加工中所引入的表面/近表面缺陷。
历史上，外延片是由Si片制造商生产并自用，在IC中用量不大，它需要在单晶Si片表面上沉积一薄的单晶Si层。
一般外延层的厚度为2~20μm,而衬底Si厚度为610μm(150mm直径片和725μm(200mm片)。
外延沉积既可(同时)一次加工多片，也可加工单片。
单片反应器可生产出质量最好的外延层(厚度、电阻率均匀性好、缺陷少);这种外延片用于150mm“前沿”产品和所有重要200mm产品的生产。
外延产品外延产品应用于4个方面，C MOS互补金属氧化物半导体支持了要求小器件尺寸的前沿工艺。
CMOS产品是外延片的最大应用领域，并被IC制造商用于不可恢复器件工艺，包括微处理器和逻辑芯片以及存储器应用方面的闪速存储器和DRAM(动态随机存取存储器)。
分立半导体用于制造要求具有精密Si特性的元件。
“奇异”(exotic)半导体类包含一些特种产品，它们要用非Si材料，其中许多要用化合物半导体材料并入外延层中。
1LED处延片基本知识
（5）ZnO衬底 • 之所以ZnO作为GaN外延片的候选衬底，是因为他们两者 具有非常惊人的相似之处。两者晶体结构相同、晶格失配 度非常小，禁带宽度接近(能带不连续值小，接触势垒小)。 但是，ZnO作为GaN外延衬底的致命的弱点是在GaN外延 生长的温度和气氛中容易分解和被腐蚀。目前，ZnO半导 体材料尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件，主要 是材料品质达不到器件水准和P型掺杂问题没有真正解决， 适合ZnO基半导体材料生长的设备尚未研制成功。今后研 发的重点是寻找合适的生长方法。但是，ZnO本身是一种 有潜力的发光材料。 ZnO的禁带宽度为3.37 eV，属直接 带隙，和GaN、SiC、金刚石等宽禁带半导体材料相比， 它在380 nm附近紫光波段发展潜力最大，是高效紫光发 光器件、低阈值紫光半导体激光器的候选材料。ZnO材料 的生长非常安全，可以采用没有任何毒性的水为氧源，用 有机金属锌为锌源。
二、LED外延片衬底材料选择特点
• 1）衬底与外延膜的结构匹配，外延材料与衬底的晶体结 构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、缺陷密 度小。 • 2）界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性强。 • 3）化学稳定性好，在外延生长的温度和气氛中不易分解 和腐蚀，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降。 • 4）热学性能好，包括导热性好和热失配度小。外延膜与 衬底材料在热膨胀系数应相近，相差过大不仅可能使外延 膜在生长过程中质量下降，还可能会在器件工作过程中， 由于发热而造成器件的损坏。 • 5）导电性好，能制成上下结构。
LED外延片基本知识
主Байду номын сангаас内容
• • • • 一、LED外延生长的概念和原理 二、LED外延片衬底材料选择特点 三、LED外延片衬底材料种类 四、LED外延片生长工艺
LED基础知识及外延工艺
支架
散热基板
LED的支撑部件，通常由金属制成，具有良 好的导热性和导电性，能够将芯片产生的 热量传递出去。
用于将LED芯片产生的热量传导至外部，提 高散热效率，保证LED的稳定运行。
LED封装流程
固晶
将LED芯片固定在支 架上，通过银胶等导 电胶进行连接。
焊线
将芯片的电极与支架 的电极进行连接，通 常采用金线焊接的方 式。
LED未来发展趋势与展望
高效节能
01
随着全球能源危机和环保意识的提高，高效节能的LED照明产品
将更加受到市场青睐。
个性化定制
02
随着消费者需求的多样化，LED照明产品将更加注重个性化定制
和差异化竞争。
智能化发展
03
结合物联网、人工智能等技术，实现LED产品的智能化和远程控
制，提高用户体验和价值。
THANKS
感谢观看
表面贴装封装
将LED芯片粘贴在PCB板或其他基板 上，具有体积小、易贴片等优点。
功率型封装
适用于高功率、大电流的应用场景， 具有散热性能好、可靠性高等特点。
集成式封装
将多个LED芯片集成在一个封装内， 可以实现多色发光或多路亮度调节等 功能。
05
LED性能参数与测试
LED的光电参数
发光波长
LED的发光波长是决定其颜色和光谱特性的重要参数，不 同应用场景需要不同波长的LED。
发光亮度
发光亮度决定了LED的视觉效果和照明强度，是评价LED 性能的重要指标。
发光效率
发光效率是指LED将电能转化为光能的效率，是评价LED 性能的重要参数。
LED的热学参数
01
02
03
结温
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• 反射率曲线上升。
2020/6/13
外延结构与生长原理-Roughing
• 即U1层，形成结晶质量较高的晶核，并 以之为中心形成岛装生长。
• 首先在停止通入TMG的情况下升至高温
（1000℃以上），在高温高压条件下，
• 略微提高温度，降低气压（200T），使 晶岛相接处的地方开始连接，生长，直 至外延表面整体趋于平整。
• 随着外延表面趋于平整，反射率将开始 上升。此时由于外延片表面与衬底层的 反射光将发生干涉作用，反射率将开始 呈现正弦曲线震荡。
2020/6/13
外延结构与生长原理- nGaN
• 在u-GaN之上生长n-GaN做为电子注入 层。
四价的，因此多出一个 电子，属于n型掺杂。反 之，加入Cp2Mg， Mg 原子会取代Ga原子的位 置，由于Mg是二价，因
此少了一个电子（多一 个电洞），属于p型掺杂。
2020/6/13
半导体基础知识-PN结、发光
• 形成PN结——电子、空穴注入——复合发光
2020/6/13
外延结构与生长原理
• 外延原材料 • 气相外延原理 • 外延结构 • 各层生长原理和条件
0.543
晶格失配度
3.5% 13.8%
17% 2% 1.4%
热胀系数10-6K-1 5.59 4.20 7.50
应用厂商
美国Osram 日本、台湾、大
陆
3.59
南昌晶能光电
• MO源---TMGa(三甲基镓)；TEGa(三乙基镓)；TMAL(三甲基铝)；TMIN( 三甲基铟)；CP2Mg(二茂镁)
• 保持2D生长GaN的条件，通入SiH4， Si原子会取代Ga原子的位置，由于Ga 是三价的，Si是四价的，因此多出一个 电子，属于n型掺杂。
• 反射率曲线将保持正弦曲线震荡。由震 荡的频率可以计算出此时的生长速率。
2020/6/13
外延结构与生长原理-MQW
• 超晶格结构发光层，主要由阱与磊反复叠加构 成。
2020/6/13
外延结构与生长原理-整体结构
P-GaN AlGaN
约为300nm 约为200nm
MQW （barrier+well) 约为300nm
GaN/InGaN
n-GaN 约4000nm u-GaN 衬底 Buffer 大约30nm
2020/6/13
外延结构与生长原理-Buffer
• 由于衬底（AL203）与GaN材料的晶格 失配较大，故在生长GaN之前需要生长 一层薄薄的缓冲层，我们将其称为 Buffer层。
Buffer-U1-U2-nGaN-MQW-pGaN-AlGaN
2020/6/13
外延结构与生长原理-原料
• 衬底---蓝宝石衬底（AL203）
GaN
6H-SiC
蓝宝石 （Al2O3
）
Si(111)
ZnO
LiAlO2
价格 $160 $220 $20
$2
晶格常数nm 0.319(钨锌)
0.308 0.476
• 当In原子取代Ga原子时，GaN的禁带宽度将变 小，构成MQW中的阱层。磊层则分为掺入Si 原子的n型磊以及不掺杂的u型磊。阱层很薄， 和磊层相间分布，将使注入的载流子在外延生 长的方向受到限制，从而提高电子空穴对的空 间浓度，加大复合发光的几率，提高发光效率 。
• MQW层使用TEG提供Ga源。阱层的温度（ 760℃左右）和In源的掺杂浓度决定了发光波 长。磊层使用相对较高的温度（ 880℃左右） 以提高结晶质量。
2020/6/13
闪锌矿结构
半导体基础知识-能带
• 能级、能带————禁带、导带、价带
能级：电子是不连续的，其值主要由主量子数N决定， 每一确定能量值称为一个能级。 能带：大量孤立原子结合成晶体后，周期场中电子能 量状态出现新特点：孤立原子原来一个能级将分裂成 大量密集的能级，构成一相应的能带。（晶体中电子 能量状态可用能带描述） 导带：对未填满电子的能带，能带中电子在外场作用下， 将参与导电，形成宏观电流，这样的能带称为导带。
• 气体---NH3；N2；H2；SiH4
2020/6/13
外延结构与生长原理-气相外延
CH
3
CH
3
Ga(CH3)3 + NH3
Ga CH
H2
3
GaN + 3CH4
H2 H2
HHH
N
H2
CH
CH3
3
Ga
HHH
N
CH
3
CH3 •
CH4 =
radical Ga
CH3 • + H •
H• + H • = H2
物体 导体 电阻率 Ω·CM <10e-4
2020/6/13
半导体
10e3~10e9
绝缘体 >10e9
半导体基础知识-晶体
单晶
晶体
多晶
固体： 非晶体
在固整体个可晶分体为内晶，体原和子非都晶是体周两期大性类的。规原则子排无列规，则 称排之列为所单组晶成。的由物许质多为取非向晶不体同。的而单晶晶体颗则粒是杂由乱原 地子排规列则在排一列起所的组固成体的称物为质多。晶。
2020/6/13
目录
• 半导体基础知识 • 外延结构与生长原理 • 常见异常分析
2020/6/13
半导体基础知识
• 半导体的定义 • 晶体 • 能带的形成 • N型、P型半导体 • PN结发光原理
2020/6/13
半导体基础知识
什么是半导体？
物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来衡量。电阻率越大， 说明这种材料的导电能力越弱。表给出以电阻率来区分导体，绝缘 体和半导体的大致范围。
Buffer中结晶质量不好的部分被烤掉，留 下结晶质量较高的晶核。此时反射率将下 降至衬底本身的反射率水平。 • 保持高温高压，通入TMG，使晶核以较 高的结晶质量按岛装生长。此时反射率将 降至0附近。 • 以上为3D生长过程。
2020/6/13
外延结构与生长原理- Recovery
• 即U2层，此时使外延从3D生长向2D生 长转变。
价带：由价电子能级分裂形成的能带，称为价带。（价 带可能是满带，也可能是电子未填满的能带）
禁带：在导带与夹带之间，电子无法存在的能带，称为 禁带。
2020/6/13
半导体基础知识-P型、N型
• 载流子：电子、空穴
掺杂： 施主掺杂-N型半导体 受主掺杂-P型半导体
对GaN晶体而言，当生 长时，加入SiH4，Si原 子会取代Ga原子的位置， 由于Ga是三价的，Si是