LED芯片的分类与特征

发布于:2021-09-23 11:07:43

专题3
LED芯片的分类与特征

发光二极管的制造工艺过程

Sapphire蓝 宝石 2-inch

芯片加工
衬底材料 生长或购 买衬底

芯片切割

器件封装

LED结构 MOCVD生长

课程内容
?LED芯片的作用 ?LED芯片的分类与特征 ?LED芯片的结构与图示 ?LED芯片参数 ?LED芯片型号编码 ?LED芯片评估

一、LED芯片的作用
? 晶片為LED的主要原材料,LED主要依靠晶 片來發光,晶片的好坏将直接决定LED的性 能。 ? 晶片是由Ⅲ和Ⅴ族复*氲继逦镏使钩伞 ? 在LED封装时,晶片来料呈整齐排列在晶片 膜上。

二、LED芯片的分类
1.按发光亮度分: A.一般亮度:R﹑H﹑G﹑Y﹑E等. B.高亮度:VG﹑VY﹑SR等 C.超高亮度:UG﹑UY﹑UR﹑UYS﹑URF﹑UE等 D.不可見光(紅外線):IR﹑SIR﹑VIR﹑HIR E. 紅外線接收管 :PT F.光電管 : PD

2.按組成元素分: A. 二元晶片(磷﹑鎵):H﹑G等 B. 三元晶片(磷﹑鎵﹑砷):SR﹑HR﹑UR等 C. 四元晶片(磷﹑鋁﹑鎵﹑ 銦):SRF﹑HRF﹑URF﹑VY﹑HY﹑UY﹑UYS﹑UE﹑HE、 UG

3.按材料特性分:

4.按衬底材料来分
? (1)、MB芯片定义与特点

? 定义﹕ MB 芯片﹕Metal Bonding (金属粘着)芯片﹔该芯 片属于UEC 的专利产品。 ? 特点﹕
– 1. 采用高散热係数的材料---Si 作为衬底、散热容易。 – 2.通过金属层来接合(wafer bonding)磊晶层和衬底,同时反射光 子,避免衬底的吸收。 – 3. 导电的Si 衬底取代GaAs 衬底,具备良好的热传导能力(导热係 数相差3~4 倍),更适应于高驱动电流领域。 – 4. 底部金属反射层、有利于光度的提升及散热 5. 尺寸可加大、 应用于High power 领域、eg : 42mil MB

?

(2)、GB芯片定义和特点

? 定义﹕ GB 芯片﹕Glue Bonding (粘着结合)芯片﹔该芯 片属于UEC 的专利产品 ? 特点﹕
– 1.透明的蓝宝石衬底取代吸光的GaAs衬底、其出光功率是传统AS (Absorbable structure)芯片的2倍以上、蓝宝石衬底类似TS芯片的 GaP衬底。 – 2.芯片四面发光、具有出色的Pattern – 3.亮度方面、其整体亮度已超过TS芯片的水准(8.6mil) – 4.双电极结构、其耐高电流方面要稍差于TS单电极芯片

? (3)、TS芯片定义和特点
? 定义﹕ TS 芯片﹕ transparent structure(透明衬 底)芯片、该芯片属于HP 的专利产品。 ? 特点﹕
– – – – 1.芯片工艺制作复杂、远高于AS LED 2. 信赖性卓越 3.透明的GaP衬底、不吸收光、亮度高 4.应用广泛

? (4)、AS芯片定义和特点
? 定义﹕ AS 芯片﹕Absorbable structure (吸收衬底)芯片 ﹔经过*四十年的发展努力、台湾LED光电业界对于该类 型芯片的研发﹑生产﹑销售处于成熟的阶段、各大公司在 此方面的研发水*基本处于同一水准、差距不大. 大陆芯 片制造业起步较晚、其亮度及可靠度与台湾业界还有一定 的差距、在这里我们所谈的AS芯片、特指UEC的AS芯片、 eg: 712SOL-VR, 709SOL-VR, 712SYM-VR,709SYM-VR 等 ? 特点﹕ 1. 四元芯片、采用 MOVPE工艺制备、亮度相对于 常规芯片要亮 2. 信赖性优良 3. 应用广泛

回顾:LED的发光原理

Eg代表了将半导体的电子断键,变成 自由电子,并将此自由电子送到导带,而 在价带中留下空穴所需的能量。 Eg=hf h是常数,f是光的频率。 因为光速=波长×频率,即C= ×f。 所以:=1240/Eg (单位:纳米)

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(nm) ??电子由导带向价带跃迁时以光的形式释放 能量,大小为禁带宽度Eg,由光的量子性可知, hf= Eg [h为普朗克常量,f为频率,据f=c/λ,可得 λ=hc/Eg,当λ的单位用um, Eg单位用电子伏特 (eV)时,上式为λ=1.24um·ev/Eg ],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1.59 ~ 3.26eV之间。

在此能量范围之内,带隙为直接带的III-V族半 导体材料只有GaN等少数材料。解决这个问题的一 个办法是利用III-V族的二元化合物组成新的三元或 四元III-V族固溶体,通过改变固溶体的组分来改变 禁带宽度与带隙类型。 由两种III-V族化合物(如GaP和 GaAs 、GaP和 InP)组成三元化合物固溶体,它们也是半导体材料, 并且其能带结构、禁带宽度都会随着组分而变化, 由一种半导体过渡到另一种半导体。

X的取值 X=0.2 X=0.35

三元化合物
Ga PX As 1-X Ga As 0.8P0.2 GaAs0.65P0.35

禁带宽度

波长与颜色 λ =747nm 红色 λ =671nm 橙色

1.66eV 1.848eV

由此可见,调节X的值就能改变材料的能级结构, 即改变LED的发光颜色。此即所谓的能带工程。

F.A. Ponce and D.P. Bour, Nature 386, 351 (1997)

5.按芯片质量分:
(1)正规格方片:是指经过生产厂挑选过的:亮度, 电压,抗静电能力,色差都是在同一个标准范围的! 正规方片A:是完全经过挑选,并保证数量。 正规方片B:是指不保证数量的但是经过挑选。 (2)大圆片:就是指未经过挑选:亮度相差大,电压 波动大,抗静电能力不一致,跑波长(色差大)! 但是会把(外延片做成的芯片)周围的不能用的部 分剔除掉 (3)猪毛片:大圆片的不良都有具备,最大特点是什 么颜色都有,不只是单纯的波长跨度大! 正规方片A>正规放片B>大圆片>猪毛片>散晶。

三、LED芯片结构与图示

芯片库

Equipments

Device structure
? Many breakthroughs
GaN:Mg

AlGaN:Mg
GaInN/GaN QW

– Buffer – p-layer – Active layer

GaN:Si

? Pioneer work by
– Prof. Akasaki – Dr. Nakamura of Nichia

LT buffer layer Sapphire substrate

Device Fabrication
GaN:Mg P- bond pad AlGaN:Mg SQW or MQW GaInN GaN:Si

Ni/Au p-metal

Sapphire n-bond pad

LED Cross Section

四、LED芯片参数
4.1芯片外观

4.2芯片尺寸

4.3芯片主要光电参数

4.4芯片主要极限参数

Forward I-V

70 60

Forward Current (mA)

50 40 30 20 10 0 0 1 Forward 2 Votage 3 (V) 4

Reverse I-V

0

-2

-3

-4

-5 -40 -30 -20 -10 0

Reverse Votage (V)

Reverse Current (uA)

-1

EL spectrum
EL spectrum 1.40E-01 1.20E-01
Intensenty (a.u.)

1.00E-01 8.00E-02 6.00E-02 4.00E-02 2.00E-02 0.00E+00 300 400

460nm FWHM=20nm

500 Wavelenth (nm)

600

700

Light output
8 7 6

Light output (mW)

5 4 3 2 1 0 0 20 40 60 Forward Current (mA) 80

五、LED芯片型号编码

六、LED芯片评估

LED Reliability
Blue LED burn @ 55C 30mA
120.00% 100.00% 80.00%

△ Iv/Iv

60.00% 40.00% 20.00% 0.00%

0

48

168 Burn Time ( Hrs)

504

1008


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