LED芯片的發(fā)光原理與分類

　　一、LED歷史

　　50年前人們已經(jīng)了解半導(dǎo)體材料可產(chǎn)生光線的基本知識，1962年，通用電氣公司的尼克•何倫亞克（NickHolonyakJr.）開發(fā)出第一種實(shí)際應(yīng)用的可見光發(fā)光二極管。LED是英文light emitTIng diode（發(fā)光二極管）的縮寫，它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個(gè)有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，即固體封裝，所以能起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。

　　最初LED用作儀器儀表的指示光源，后來各種光色的LED在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。以12英寸的紅色交通信號燈為例，在美國本來是采用長壽命、低光效的140瓦白熾燈作為光源，它產(chǎn)生2000流明的白光。經(jīng)紅色濾光片后，光損失90%，只剩下200流明的紅光。而在新設(shè)計(jì)的燈中，Lumileds公司采用了18個(gè)紅色LED光源，包括電路損失在內(nèi)，共耗電14瓦，即可產(chǎn)生同樣的光效。 汽車信號燈也是LED光源應(yīng)用的重要領(lǐng)域。

　　二、LED芯片原理

　　LED（Light EmitTIng Diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)“P-N結(jié)”。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結(jié)的材料決定的。

　　三、LED芯片的分類

　　1.MB芯片定義與特點(diǎn)

　　定義：Metal Bonding（金屬粘著）芯片；該芯片屬于UEC的專利產(chǎn)品。

　　特點(diǎn)：

　　（1）采用高散熱系數(shù)的材料---Si作為襯底，散熱容易。

　　Thermal ConducTIvity

　　GaAs： 46W/m-K

　　GaP： 77W/m-K

　　Si： 125～150W/m-K

　　Cupper:300~400W/m-k

　　SiC： 490W/m-K

　?。?）通過金屬層來接合（wafer bonding）磊晶層和襯底，同時(shí)反射光子，避免襯底的吸收。

　?。?）導(dǎo)電的Si襯底取代GaAs襯底，具備良好的熱傳導(dǎo)能力（導(dǎo)熱系數(shù)相差3~4倍），更適應(yīng)于高驅(qū)動電流領(lǐng)域。

　　（4）底部金屬反射層，有利于光度的提升及散熱。

　?。?）尺寸可加大，應(yīng)用于High power領(lǐng)域，eg:42mil MB。

　　2.GB芯片定義和特點(diǎn)

　　定義：Glue Bonding（粘著結(jié)合）芯片；該芯片屬于UEC的專利產(chǎn)品。

　　特點(diǎn)：

　?。?）透明的藍(lán)寶石襯底取代吸光的GaAs襯底，其出光功率是傳統(tǒng)AS（Absorbable structure）芯片的2倍以上，藍(lán)寶石襯底類似TS芯片的GaP襯底。

　　（2）芯片四面發(fā)光，具有出色的Pattern圖。

　　（3）亮度方面，其整體亮度已超過TS芯片的水平（8.6mil）。

　?。?）雙電極結(jié)構(gòu)，其耐高電流方面要稍差于TS單電極芯片。

　　3.TS芯片定義和特點(diǎn)

　　定義：transparent structure（透明襯底）芯片，該芯片屬于HP的專利產(chǎn)品。

　　特點(diǎn)：

　　（1）芯片工藝制作復(fù)雜，遠(yuǎn)高于AS LED。

　?。?）信賴性卓越。

　　（3）透明的GaP襯底，不吸收光，亮度高。

　?。?）應(yīng)用廣泛。

　　4.AS芯片定義與特點(diǎn)

　　定義：Absorbable structure （吸收襯底）芯片；經(jīng)過近四十年的發(fā)展努力，臺灣LED光電業(yè)界對于該類型芯片的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售處于成熟的階段，各大公司在此方面的研發(fā)水平基本處于同一水平，差距不大。

　　大陸芯片制造業(yè)起步較晚，其亮度及可靠度與臺灣業(yè)界還有一定的差距，在這里我們所談的AS芯片，特指UEC的AS芯片，eg： 712SOL-VR， 709SOL-VR， 712SYM-VR，709SYM-VR等。

　　特點(diǎn)：

　?。?）四元芯片，采用MOVPE工藝制備，亮度相對于常規(guī)芯片要亮。

　?。?）信賴性優(yōu)良。

　?。?）應(yīng)用廣泛。

　　四、LED芯片材料磊晶種類

　　1.LPE：Liquid Phase Epitaxy（液相磊晶法） GaP/GaP

　　2.VPE：Vapor Phase Epitaxy（氣相磊晶法） GaAsP/GaAs

　　3.MOVPE：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy （有機(jī)金屬氣相磊晶法） AlGaInP、GaN

　　4.SH：GaAlAs/GaAs Single Heterostructure（單異型結(jié)構(gòu)）GaAlAs/GaAs

　　5.DH：GaAlAs/GaAs Double Heterostructure（雙異型結(jié)構(gòu)） GaAlAs/GaAs

　　6.DDH：GaAlAs/GaAlAs Double Heterostructure（雙異型結(jié)構(gòu)） GaAlAs/GaAlAs

　　五、LED芯片組成及發(fā)光

　　LED晶片的組成：主要有砷（AS）鋁（AL）鎵（Ga）銦（IN）磷（P）氮（N）鍶（Ｓi）這幾種元素中的若干種組成。

　　LED晶片的分類：

　　1、按發(fā)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）：R、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.LED晶片特性表：

　　LED晶片型號發(fā)光顏色組成元素波長（nm）

　　SBI藍(lán)色lnGaN/sic 430 HY超亮黃色AlGalnP 595

　　SBK較亮藍(lán)色lnGaN/sic 468 SE高亮桔色GaAsP/GaP 610

　　DBK較亮藍(lán)色GaunN/Gan 470 HE超亮桔色AlGalnP 620

　　SGL青綠色lnGaN/sic 502 UE最亮桔色AlGalnP 620

　　DGL較亮青綠色LnGaN/GaN 505 URF最亮紅色AlGalnP 630

　　DGM較亮青綠色lnGaN 523 E桔色GaAsP/GaP635

　　PG純綠GaP 555 R紅色GAaAsP 655

　　SG標(biāo)準(zhǔn)綠GaP 560 SR較亮紅色GaA/AS 660

　　G綠色GaP 565 HR超亮紅色GaAlAs 660

　　VG較亮綠色GaP 565 UR最亮紅色GaAlAs 660

　　UG最亮綠色AIGalnP 574 H高紅GaP 697

　　Y黃色GaAsP/GaP585 HIR紅外線GaAlAs 850

　　VY較亮黃色GaAsP/GaP 585 SIR紅外線GaAlAs 880

　　UYS最亮黃色AlGalnP 587 VIR紅外線GaAlAs 940

　　UY最亮黃色AlGalnP 595 IR紅外線GaAs 940