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一、LED芯片是一種固態(tài)的半導體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個半導體的芯片，芯片的一 端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個芯片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導體芯片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個P-N結(jié)。當電流通過導線作用于這個芯片的時候，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復合，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。LED芯片為LED的主要原材料，LED主要依靠芯片來發(fā)光。
LED芯片是在外延片上的基礎上經(jīng)過下面一系列流
程，最終完成如右圖的成品-芯片。
外延片→清洗→鍍透明電極層透 (Indium Tin Oxide，ITO)→透明電極圖形光刻→腐蝕→去膠→
平臺圖形光刻→干法刻蝕→去膠→退火→
SiO2沉積→窗口圖形光刻→SiO2腐蝕→去膠→
N極圖形光刻→預清洗→鍍膜→剝離→退火→
P極圖形光刻→鍍膜→剝離→研磨→切割→
芯片→成品測試。
2、LED芯片的組成元素
LED芯片的元素主要為III-V族元素，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。
1）按發(fā)光亮度分
A、一般亮度：R(紅色GaAsP 655nm)、H ( 高紅GaP 697nm )、G ( 綠色GaP 565nm )、
Y ( 黃色GaAsP/GaP 585nm )、E(桔色GaAsP/ GaP 635nm )等
B、高亮度：VG(較亮綠色GaP 565nm)、VY(較亮黃色 GaAsP/ GaP 585nm)、
SR(較亮紅色GaA/AS 660nm)；
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(較亮紅色GaA/AS 660nm)、 HR (超亮紅色GaAlAs 660nm)
UR(最亮紅色GaAlAs 660nm)等
C、四元晶片(磷﹑鋁﹑鎵﹑銦)：SRF( 較亮紅色 AlGalnP )、HRF(超亮紅色 AlGalnP)、
URF(最亮紅色AlGalnP 630nm)、VY(較亮黃色GaAsP/GaP 585nm)、
HY(超亮黃色 AlGalnP 595nm)、UY(最亮黃色 AlGalnP 595nm)、
UYS(最亮黃色 AlGalnP 587nm)、UE(最亮桔色 AlGalnP 620nm)、
HE(超亮桔色 AlGalnP 620nm)、UG (最亮綠色 AIGalnP 574nm) 等
3）按照制作工藝分
LED芯片分為MB芯片，GB芯片，TS芯片，AS芯片等4種
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LED芯片 |
定義 |
特點 |
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MB芯片 |
Metal Bonding (金屬粘著)芯片；該芯片屬于UEC的專利產(chǎn)品 |
① 采用高散熱系數(shù)的材料---Si作為襯底,散熱容易 ② 通過金屬層來接合(wafer bonding)磊芯層和襯底,同時反 射光子,避免襯底的吸收 ③ 導電的Si襯底取代GaAs 襯底,具備良好的熱傳導能力(導 熱系數(shù)相差3-4倍),更適應于高驅(qū)動電流領域 ④ 底部金屬反射層,有利于光度的提升及散熱 ⑤ 尺寸可加大,應用于High power 領域 |
|
GB芯片 |
Glue Bonding (粘著結(jié)合)芯片；該芯片屬于UEC的專利產(chǎn)品 |
① 透明的藍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) ④ 雙電極結(jié)構(gòu),其耐高電流方面要稍差于TS單電極芯片 |
|
TS芯片 |
transparent structure (透明襯底)芯片，該芯片屬于HP的專利產(chǎn)品 |
① 芯片工藝制作復雜,遠高于AS LED ② 信賴性卓越 ③ 透明的GaP襯底，不吸收光，亮度高 ④ 應用廣泛 |
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AS芯片 |
Absorbable structure (吸收襯底)芯片,這里特指UEC的AS芯片 |
① 四元芯片,采用MOVPE工藝制備,亮度相對于常規(guī)芯片要亮 ② 信賴性優(yōu)良 ③ 應用廣泛 |
二、LED襯底材料
1、LED襯底的概念及作用
襯底又稱基板，也有稱之為支撐襯底。襯底只要是外延層生長的基板，在生產(chǎn)和制作過程中，起到支撐和固定的作用。它與外延層的特性配合要求比較嚴格，否則會影響到外延層的生長或是芯片的品質(zhì)。
2、LED襯底材料的種類
對于制作LED芯片來說，襯底材料的選用是首要考慮的問題。應該采用哪種合適的襯底，需要根據(jù)設備和LED器件的要求進行選擇。
藍寶石（Al2O3）
GaN基系列三種襯底材料 硅（Si）
碳化硅（SiC）
1)藍寶石襯底
通常，GaN基材料和器件的外延層主要生長在藍寶石襯底上。藍寶石的硬度非常高，在自然材料中其硬度僅次于金剛石，但是在LED器件的制作過程中卻需要對它進行減薄和切割（從400nm減到100nm左右）。
優(yōu)點：①藍寶石襯底的生產(chǎn)技術(shù)成熟、器件質(zhì)量較好
②藍寶石的穩(wěn)定性很好，能夠運用在高溫生長過程中
③藍寶石的機械強度高，易于處理和清洗
缺點：①晶格失配和熱應力失配，會在外延層中產(chǎn)生大量缺陷；
②藍寶石是一種絕緣體，在上表面制作兩個電極，造成了有效發(fā)光面積減少；
③增加了光刻、蝕刻工藝過程，制作成本高。
2)硅襯底
硅襯底的芯片電極可采用兩種接觸方式，分別是L接觸（Lateral-contact , 水平接觸）和V接觸（Vertical-contact，垂直接觸）[以下簡稱為L型電極和V型電極]。通過這兩種接觸方式，LED芯片內(nèi)部的電流可以是橫向流動的，也可以是縱向流動的。由于電流可以縱向流動，因此增大了LED的發(fā)光面積，從而提高了LED的出光效率。因為硅是熱的良導體，所以器件的導熱性 能可以明顯改善，從而延長了器件的壽命。
3)碳化硅襯底
碳化硅襯底（CREE公司專門采用SiC材料作為襯底）的LED芯片，電極是L型電極，電流是縱向流動的。采用這種襯底制作的器件的導電和導熱性能都非常好，有利于做成面積較大的大功率器件
SiC是IV-IV族二元化合物，也是元素周期表IV族元素中唯一的穩(wěn)定固態(tài)化合物，一種重要的半導體材料。它具有優(yōu)良的熱學、力學、化學和電學性質(zhì)，不但是制作高溫、高頻、大功率電子器件的最佳材料之一，同時又可以用作基于GaN的藍色發(fā)光二極管的襯底材料。
優(yōu)點：①碳化硅的導熱系數(shù)為490W/m·K
②要比藍寶石襯底高出10倍以上
缺點：①碳化硅制造成本較高
②實現(xiàn)其商業(yè)化還需要降低相應的成本
4)三種襯底的性能比較
|
襯底材料 |
導熱系數(shù) (W/(m·k)) |
膨脹系數(shù) (*10E-6) |
穩(wěn)定性 |
導熱性 |
成本 |
抗靜電能力 |
|
藍寶石 （Al2O3） |
46 |
1.9 |
一般 |
差 |
中 |
一般 |
|
硅（Si） |
150 |
5-20 |
良 |
好 |
低 |
好 |
|
碳化硅 （SiC） |
490 |
-1.4 |
良 |
好 |
高 |
好 |
三、LED外延片
1、LED外延片生長的概念
外延片是在一塊加熱至適當溫度的襯底基片(主要有藍寶石和、SiC、Si)上，氣態(tài)物質(zhì)InGaAlP有控制的輸送到襯底表面，生長出特定單晶薄膜。
外延片的檢測一般分為兩大類:
一是光學性能檢測，主要參數(shù)包括工作電壓，光強，波長范圍，半峰寬，色溫，顯色指數(shù)等等，這些數(shù)據(jù)可以用積分球測試。
二是可靠性檢測，主要參數(shù)包括光衰，漏電，反壓，抗靜電，I-V曲線等等，這些數(shù)據(jù)一般通過老化進行測試。
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下一個：LED燈具衰光如何解決？
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