发光二极管(Light-Emitting Diode,简称LED)是一种能够将电能转化为光能的固态半导体器件,它可以直接把电转化为光。1923年,罗塞夫(O.W Lossen)在研究半导体SiC时,发现掺有杂质的PN结中有光发射,后来经过实验研制出了发光二极管,但当时只是处于实验室研究阶段,并没有受到外界重视。随着电子工业的快速发展,在20世纪60年代,显示技术得到迅速发展,人们便研究出了商用LED。早期的LED只能发出低光度的红光,随着半导体的制作和加工工艺逐步成熟,之后发展出了其他单色光的产品,现在能发出的光波段范围已遍及可见光、红外线及紫外线等,光度也极大地提高了。LED也由最初阶段的指示灯、显示板等简单应用,发展应用到了显示器、广告、装饰和照明等领域。
LED是半导体二极管的一种,与普通二极管一样由一个PN结组成,也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后,从P区注入N区的空穴和由N区注入P区的电子,在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合,产生自发辐射光,辐射光的强弱与回路电流大小有关,如图1-1所示。不同的半导体材料中,电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同,发出的光的波长也不同,波长范围可遍及从紫外线到红外线的较广范围,常用的是红光LED、绿光LED或黄光LED。
图1-1 LED的发光原理示意图
众所周知,可见光光谱的波长范围为380nm~760nm,是人眼可感受到的七种单色光:红、橙、黄、绿、青、蓝、紫,如图1-2所示。例如红光LED发的红光的峰值波长为565nm。
图1-2 可见光波长范围
在可见光的光谱中是没有白色光的,因为白光不是单色光,它是由多种单色光合成的复合光。正如太阳光是由七种单色光合成的白色光,而彩色电视机中的白色光是由三基色红、绿、蓝合成的。太阳光经过色散系统分光后,光谱图如图1-3所示。
图1-3 太阳光光谱
在常见LED照明产品中应用较多的光源是白光LED,而目前LED芯片大多为单色发光材料,如何制造出质量合格的白光LED也成为LED照明应用的关键技术之一。对于一般照明,在工艺结构上,白光LED通常采用两种方法形成:第一种是利用一个单色芯片与荧光粉配合形成白光,即单晶型白光LED;第二种是多种单色光芯片混合方法,即多晶型白光LED。这两种方法都能成功制成白光LED。
单晶型白光LED,即一只单色的LED发光二极管加上相应的荧光粉,就如同日光灯的发光方式一样,采用LED发光二极管激发荧光粉发光。通常采用两种激发方式:一种方式是蓝光LED激发黄色荧光粉产生白光,另一种方式是紫外线LED激发RGB三基色荧光粉来产生白光。目前,最常用的单晶型白光LED主要采用蓝光芯片激发黄色荧光粉的方式。
多晶型白光LED,即使用两个或两个以上的互补单色LED所发出的单色光混合而形成白光。因为不同色彩的LED发光二极管的驱动电压、光输出、温度特性及寿命各不相同,因此使用多晶型LED产生白光的方式,比单晶型LED产生白光的方式复杂。也因LED发光二极管的数量多,使得多芯片型LED的成本较高。另外,若采用单晶型,则只要用一种单色LED即可,在驱动电路的设计上也较为容易。
LED产业链大致可以分为五个部分:原材料的制备、LED上游产业(外延材料和芯片制造)、LED中游产业(LED器件封装)、LED下游产业(LED应用产品)以及测试仪器和生产设备。本知识点将重点介绍芯片工艺和封装工艺。
1. LED芯片制作工艺流程
LED芯片主要有两种类型:单面电极芯片和双面电极芯片,如图1-4所示,两种芯片结构略有差异,但制造工艺大体相同。
图1-4 单面电极芯片(a)和双面电极芯片(b)
首先,在衬底上制作氮化镓(GaN)基的外延片,这个过程主要是在金属有机物化学气相沉积炉(MOCVD)中完成的。准备好制作GaN基外延片所需的材料和各种高纯的气体之后,按照工艺的要求就可以逐步把外延片做好。常用的衬底材料主要有蓝宝石(Al 2 O 3 )、碳化硅(SiC)、硅(Si)和砷化镓(GaAs)等。
MOCVD是利用气相反应物及Ⅲ族的有机金属化合物和Ⅴ族的NH 3 在衬底表面进行反应,将所需的反应产物沉积在衬底表面,如图1-5所示。通过控制温度、压力、反应物浓度和种类比例,从而控制镀膜成分、晶体结构完整性等品质。MOCVD外延炉是制作LED外延片最常用的设备。
图1-5 MOCVD外延片制作过程
其次,对LED的PN结的两个电极进行加工,电极加工也是制作LED芯片的关键工序,包括清洗、蒸镀、光刻、化学刻蚀、合金化、研磨。
最后,对LED外延片进行划片、测试和分选,就可以得到所需的LED芯片。
芯片的前段各项工艺如清洗、蒸镀、光刻、化学蚀刻、合金化、研磨等作业都必须严格遵守操作规范,避免芯片电极刮伤情形发生。LED芯片的总体制作流程如图1-6所示。
图1-6 LED芯片的总体制作流程
2.常见LED芯片介绍
①根据LED芯片功率不同,可分为小功率LED芯片和大功率LED芯片两种。
②根据LED芯片发光颜色不同,主要分为三种:红光LED芯片、绿光LED芯片和蓝光LED芯片,如图1-7、图1-8所示。其中蓝光芯片可通过涂覆黄色荧光粉制作白光LED。
图1-7 大功率红光LED芯片
图1-8 大功率蓝光LED芯片
③根据LED芯片尺寸不同,一般可分为8mil 1 、9mil、12mil、14mil、20mil、40mil、45mil的分形芯片或10×23mil、10×20mil、10×30mil、8×20mil等矩形芯片。
3. LED封装工艺流程
(1)LED封装的目的
将外引线连接到LED芯片的电极上,利用固封胶(环氧树脂或硅胶)保护LED芯片和引线不受损伤,并且起到提高光输出效率的作用。
(2)LED封装工艺流程
LED的心脏就是PN结芯片,目前LED产品种类丰富多样,封装形式也各有不同。以目前常见的小功率LED和大功率LED为例,它们的内部封装结构如图1-9所示。
图1-9 小功率LED(a)和大功率LED(b)内部结构
LED不同的外形结构只是为了满足不同应用的结构需要,但封装工艺基本类似。以小功率直插式LED为例,具体的封装工艺流程如下。
①芯片检验。
②扩片:由于LED芯片在划片后依然排列紧密、间距很小(约0.1mm),不利于后面工序的操作,因此需要采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张,使得LED芯片的间距拉伸到约0.6mm。
③点胶:在LED支架的相应位置点上银胶或绝缘胶,以固定芯片。对于GaAs、SiC导电衬底,具有背面电极的芯片,采用银胶;对于蓝宝石绝缘衬底的蓝光、绿光LED芯片,采用绝缘胶。
④固晶:固晶也叫刺晶或装架,是利用手工或自动固晶机将扩张后的LED芯片安置在已点胶的LED支架内的。
⑤固晶后镜检:剔除或补固固晶失效的晶片。
⑥固晶烤胶:目的是使银胶或绝缘胶固化,固晶烤胶要求对温度进行监控,防止批次性不良。
⑦固晶烤胶后镜检。
⑧压焊:目的是将电极引到LED芯片上,完成产品内外引线的连接工作,主要有金丝球焊和铝丝压焊两种。
⑨压焊后镜检。
⑩灌胶封装:Lamp-LED的封装采用灌封的形式。灌封的过程是先在LED成型模腔内注入液态环氧树脂,然后插入压焊好的LED支架,放入烘箱让环氧树脂固化后,将LED从模腔中脱出即成型。
⑪固化:是指封装环氧树脂的固化,一般环氧固化条件为135℃,1h。
⑫后固化:是为了让环氧树脂充分固化,同时对LED进行热老化。后固化对于提高环氧与支架(PCB)的粘接强度非常重要。一般条件为120℃,4h。
⑬切筋和划片:由于LED在生产中是连在一起的(不是单个),Lamp-LED封装LED采用切筋切断LED支架的连筋。SMD-LED则是在一片PCB板上,需要划片机来完成分离工作。
⑭测试:测试LED的光电参数、检验外形尺寸,对LED产品进行分选。
⑮包装:将成品进行计数包装,超高亮LED需要防静电包装。
(3)LED封装种类
根据不同的应用场合、不同的外形尺寸、散热方案和发光效果,LED的封装形式多种多样。
目前,LED按封装形式分类主要有Lamp-LED(直插式LED)、SMD-LED(表面贴装LED)、食人鱼式LED、High-Power-LED(高功率LED)等。
①Lamp-LED(直插式LED):直插式LED多为小功率LED,多用于家用电器的直插灯、LED显示屏、户外看板、公共场所的LED路灯、汽车内外灯,如图1-10所示。
图1-10 直插式LED
②SMD-LED(表面贴装LED):广泛应用于LED灯具中,贴片式结构小型、薄型、轻量化,无形状限制,容易应用于各式产品中,如图1-11所示。
图1-11 表面贴装LED
③食人鱼LED:正方形、透明树脂封装、四个引脚、负极处有个缺脚的LED,如图1-12所示。食人鱼LED是散光型的LED,发光角度大于120°,发光强度很高,而且能承受更大的功率。多应用于车用刹车灯或转向灯。
图1-12 食人鱼LED
④High-Power-LED:也称为大功率LED,如图1-13所示。普通LED功率一般为0.05W,工作电流为20mA,而大功率LED可以达到1W、2W甚至数十瓦,工作电流可以是几十毫安到几百毫安不等。大功率LED在目前的LED照明灯具中应用最为广泛,比如大功率LED路灯、大功率LED射灯、大功率LED投光灯等。但目前大功率白光LED的应用依然受到转换效率较低、光通量较小、成本较高、荧光粉使用时间长易变色、散热等方面因素的制约,各大厂家也正在努力改善技术,解决这些问题。
图1-13 大功率LED
1.电学特性
(1) I - V 特性曲线
LED的 I - V 特性是流过PN结的电流随PN结两端电压变化的特性。LED的 I - V 特性具有非线性、单向导电性,以及外加正偏电压时表现为低电阻,反之为高电阻。LED的伏安特性曲线划分为正向特性区、反向特性区和反向击穿区3个区,如图1-14所示。
图1-14 LED伏安特性曲线
①正向特性区。 a 点对应的 V a 为开启电压(也称为正向死区电压)。当LED两端的电压小于 V a 时,通过LED的电流很小,LED呈现的电阻很大。当LED两端的电压大于 V a 时,LED电阻迅速减小,电流迅速增加。
LED的开启电压与颜色有关系,红、黄、绿的开启电压在1.8V~2.4V之间,白、蓝、翠绿的电压在3.0V~3.6V之间。
②反向特性区。当LED外加反向电压时,P型半导体中的少数自由电子和N型半导体中的少数空穴很容易通过PN结,形成反向电流。反向电流有两个特点:一是它随温度升高而增加很快,二是在一定的反向电压范围内,反向电流不随反向电压变化而变化。反向电流越小,表明LED的单向导电性能越好。
③反向击穿区。当LED两端的反向电压大于 V R (也称为反向击穿电压)时,反向电流急剧增加,出现反向击穿现象。LED所用材料不同,它的反向击穿电压也不同。
(2)响应时间
LED的响应时间是指输入正向电流后LED开始发光(光通量上升)和熄灭(光通量衰减)的时间,如图1-15所示。
图1-15 LED响应示意图
图1-15中, t 0 很小,可以忽略。LED的点亮时间( t r )是指从接通电源使发光亮度达到正常的10%开始,一直到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间。LED的熄灭时间( t f )是指正常发光减弱至原来的10%所经历的时间。LED的响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。直接跃迁材料GaAs l- x P x 的响应时间仅几纳秒,而间接跃迁材料GaP的响应时间则是100ns。
LED的响应时间是标志其反应速度的一个重要参数,尤其在脉冲驱动或电调制时显得非常重要。在采用交流供电或脉冲供电获得调制光或脉冲光时,LED的调制频率高达几十兆赫兹。采用这种直接调制技术使LED在相位测距仪、能见度仪及短距离通信中得到应用。
(3)极限参数
①允许功耗 P m ,允许加在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将发热、损坏。
②最大正向直流电流 I Fm ,允许加在LED两端的最大正向直流电流。超过此值将损坏LED。
③最大反向电压 V Rm ,所允许加在LED两端的最大反向电压。超过此值,LED可能被击穿损坏。
④工作环境 t opm ,LED正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围,LED将不能正常工作,效率大大降低。
2.光学特性
(1)发光强度及其角分布
①发光强度,LED的发光强度通常是指法线方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为1/683W/sr,则发光强度为1cd(坎德拉)。发光强度的角分布 θ 是描述LED发光在空间各个方向上的光强分布,当偏离正法向不同 θ 角度时,光强也随之变化。 θ 主要取决于封装的工艺,包括支架、模粒头、环氧树脂中添加的散射剂等因素。
②视角,光源沿中心法线方向向四周张开,中心光强从1到周围的1/2之间的夹角,即为半强角度,也称为半值角或半功视角 θ 1/2 ,半值角的2倍称为视角。通常采用视角来衡量LED的指向性,视角越小,LED的指向性越强。按照视角的大小,可以将LED分为高指向型(视角为5°~20°或更小)、标准型(视角为20°~45°)和散射型(视角为45°~90°或更大)。
(2)发光峰值波长及其光谱分布
①发光峰值波长,LED所发的光并非单一波长,其波长分布基本如图1-16所示。
图1-16 LED波长分布
为了描述LED的色度特性,引入主波长概念,它是指人眼所能观察到的LED发出主要单色光的波长。无论什么材料制成的LED,LED光谱分布曲线都有一个相对发光强度的最强处,与之相对应有一个波长,称为峰值波长 λ P 。虽然有的LED可发出多个峰值波长的光,但其主波长只有一个。存在两个光强等于峰值一半的点,两点间的宽度为Δ λ ,这个宽度称为频谱宽度,也称为半功率宽度或半高宽度。频谱宽度反映谱线宽窄,即LED单色性的参数。
②光谱分布曲线,是指LED发光强度或光功率输出随着波长变化而不同,绘成一条分布曲线。LED的光谱特性表征其单色性的优劣和其主要颜色是否纯正。LED的光谱分布与所用化合物半导体种类、性质及PN结结构(外延层厚度、掺杂杂质)等有关,而与器件的几何形状、封装方式无关。图1-17给出几种由不同化合物半导体及掺杂制得的LED光谱分布曲线。
图1-17 常见LED的光谱分布曲线
1—蓝色InGaN/GaN LED,发光谱峰 λ P =460nm~465nm;2—绿色GaPN LED,发光谱峰 λ P =550nm;3—红色GaPZn-O LED,发光谱峰 λ P =680nm~700nm;4—使用GaAs材料的LED,发光谱峰 λ P =910nm;5—Si光电二极管,通常作光电接收用;6—标准钨丝灯
(3)光通量
光通量是表征LED总光输出的辐射能量,它标志器件性能的优劣。光通量为LED向各个方向发光的能量之和,用 Φ 表示,单位为流明(lm),它与工作电流有直接关系。LED的光通量与流过LED的电流的比值是非线性关系,LED的光通量随着流过LED的电流增加而增加,但却不成正比,越到后来光通量增加得越少。LED的光通量与芯片材料、封装工艺水平及外加恒流源大小有关。
(4)发光效率和视觉灵敏度
①发光效率,是光通量与电功率之比,它表征了光源的节能特性。表1-1列出了几种常见LED的发光效率。
表1-1 几种常见LED的发光效率
②视觉灵敏度,若视觉灵敏度记为
K
λ
,则与发光能量
P
、可见光通量
Φ
之间关系为
,
。人的视觉灵敏度在
λ
=555nm处有一个最大值680lm/W。
(5)寿命
LED的光亮度将随着长时间工作而出现光强度或光亮度衰减,通常将光通量衰减到初始值的70%时的工作时间作为LED的平均工作寿命。影响LED寿命的主要因素有芯片质量、器件热阻和可具的散热性好坏等几个方面。
(6)发光质量
①LED的发光强度,影响LED发光强度的主要因素是LED芯片,并不受支架和金线影响。
②LED的一致性,LED产品的一致性有角度的一致性(主要是偏角和角度大小不一致)和亮度的一致性(这跟所用芯片的品质和灯杯的好坏有关),它与生产设备的工艺和操作人员的技术水平有关。
3.热学特性
(1)LED的热性能参数
①LED的结温,就是PN结区的温度。一般在正常工作条件下,结晶不应超过80℃。LED的最高结温是指LED的PN结所能承受的最高临界温度。LED的最高结温与LED所使用的半导体封装材料和封装结构有关,通常为120℃~150℃,一旦LED的PN结温度超过这个极限值,将导致LED提前失效或永久性失效。
②热阻 R θ ,一般是指LED的PN结到壳体表面之间的热阻,它等于PN结到壳体表面之间的温度差与产生这个温度差的热耗散功率之比,单位为℃/W。热阻是表征LED散热性能好坏的参数。热阻越小,导热能力越强,则LED的热量越容易从PN结中传导出来。
(2)温度对LED性能的影响
与传统光源一样,LED在工作时也会产生热量。LED在外加电场的作用下,电子与空穴大量复合,除了一小部分能量以光能的形式释放外,其他大部分的能量以非辐射的形式释放。于是造成半导体晶格振动,并产生热量,导致LED结温的升高。随LED芯片结温的升高,PN结内部电子和空穴的浓度、禁带宽度以及电子迁移速率等微观参数都会发生变化,从而影响LED的光电参数。
①LED随着温度的升高,光通量输出会减少。图1-18所示InGaN类LED光通量输出与结温关系图。
图1-18 不同光色LED结温与光通量输
②在电流一定的情况下,随着温度的升高,LED正向压降会降低,如图1-19所示。
图1-19 环境温度与LED正向压降的关系
③随着温度的升高,LED的主波长会向长波长漂移,如图1-20所示。每当结温升高10℃,波长将向长波长漂移1nm。
图1-20 LED结温与主波长的关系
④当LED的工作温度超过芯片所能承受的温度时,LED的发光效率快速降低,产生明显的光衰,进而缩短LED的寿命。高亮度LED的使用寿命与工作温度的关系如图1-21所示。假设结温为 x ℃,此时寿命为97000h;当结温升高10℃时,寿命缩短为55000h;当结温升高20℃时,寿命缩短为32000h。
图1-21 LED工作温度与寿命的关系图
1.节能
LED的光谱几乎全部集中于可见光频段,其发光效率可达50%~60%。LED的耗电相当低,发热量比普通照明灯具低很多。一般来说,LED的工作电压是2V~3.6V,工作电流是0.02A~0.03A;这就是说,它消耗的电能不超过0.1W,在实现相同照明效果时,比传统光源白炽灯节能80%以上,其节能效率随发光效率的提高而提高。
2.环保
LED为冷光源,眩光小、无辐射、使用中不产生有害物质。LED的工作电压低、采用直流驱动方式、发光稳定、没有50Hz的频闪。LED光谱中没有紫外线和红外线,而且废弃物可回收,没有污染(不含汞元素),可以安全触摸,被称为“绿色能源”。
3.多变幻
LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理,在计算机的控制下使3种颜色具有256级灰度并任意混合,即可产生256×256×256=16777216种颜色,形成不同光色的组合,可实现丰富多彩的动态变化效果及显示各种图像。
4.响应速度快
LED的响应时间只有10 -7 s~10 -9 s,高频特性好。目前,LED已应用于可见光通信领域,通过快速关断的脉冲信息来传达信号。
5.寿命长
LED光源被称为长寿灯,它采用环氧树脂封装,抗振动性和抗冲击性好,灯体内没有易松动的部分,不存在灯丝发光易燃、热沉积、光衰等缺点,使用寿命可达2.5万~5万小时,比传统光源的寿命长10倍以上,省去器件更换和人工方面的花费,运行成本低。
6.智能化
与传统光源单调的发光效果相比,LED容易与数字集成电路匹配,利用计算机技术、网络通信技术和嵌入式控制技术等,使LED照明产品具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。
1 1mil=25.4×10 -6 m,下同。