《LED显示技术》PPT课件

品茶，上网，兼职 http:/ LED电子显示技术 梁玉军 博士 Tel: 13437106851 E-mail: 材化楼 524室 品茶，上网，兼职 http:/ 品茶，上网，兼职 http:/ 白光 LED的原理和应用 品茶，上网，兼职 http:/ 白色 LED照明灯 地砖灯 礼品灯 手电筒 品茶，上网，兼职 http:/ 360 LED环形显示器 品茶，上网，兼职 http:/ 360 LED环形显示器 品茶，上网，兼职 http:/ 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 电压： LED使用低压电源，供电电压在 6-24V之间，根据 产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电 源，特别适用于公共场所。 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少 80% 适用性：很小，每个单元 LED小片是 3-5mm的正方形， 所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境 稳定性： 10万小时，光衰为初始的 50% 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级， LED灯的响应 时间为纳秒级 . 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 对环境污染：无有害金属汞 颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化 学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄 绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的 LED，随着电 流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色 价格： LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只 LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常 每组信号灯需由上 300 500只二极管构成。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 发光二极管 (LED) 发光二极管及发光二极管显示器 (LED) LED用材料及发光机制 LED的制作工艺 各种 LED及其特性 LED显示器的各种用途及发展前景 LED的其他应用 研究课题与展望 品茶，上网，兼职 http:/ 1.1发光二极管 发光二极管（ light emitting diode， LED） ，顾名思义，是 由半导体制作的二极管的一种。众所周知，二极管具有整流作用， 即在其两极上施加电压时，仅能单方向通过电流。所谓发光二极 管是指当在其整流方向施加电压（称为顺方向）时，有电流注人， 电子与空穴复合，其一部分能量变换为光并发射的二极管。 这种 LED由半导体制成，属于固体元件 ,工作状态稳定、可靠性高，其 连续通电时间（寿命）可达 105h以上。 LED元件与一般半导体元 件一样，也被称为芯片（ chip），其尺寸通常为数百微米见方， 是很小的。 LED的发光颜色，与白炽灯等发出的白色光等不同， 而是近于单色光，换句话说，其发光的光谱是很窄的。通过选择 半导体材料，目前生产的发光二极管可以发射红外、红、橙、黄、 绿、蓝等范围相当宽的各种各样的颜色。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ LED的开发经历及今后展望 LED的注人型发光现象是 1907年 H.J.Round 在碳化硅晶体中发现的。 1923年 O.W.Lossew在 S的点接触部位观测到发光，从而使注人型发 光现象得到进一步确认。 1952年 J.R.Haynes等 在锗，硅的 P N结，以及 1955年 G.A.Wolff在 GaP中相继观测到发光现象。一般认为，至此 为 LED的萌芽期 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 20世纪 60年代可以说是基础技术的确立时期。从 1962 年 Pankove观察到 GaAs中 P N结的发光开始，相继发表关 于 GaAs， GaP， GaAsP， ZnSe等单晶生成技术、注人发光 现象的大量论文， 1968年 GaAsP红色 LED灯投人市场， 1969年 R.H.Saul等人发表 GaP红色 LED的外部发光效率达 7.2，从此实用化的研究开发加速展开 此后，在 70 80年代，由于基板单晶生长技术、 P N结形成技术、元件制造、组装自动化等技术的迅速进步。 近年来，采用高辉度红色、绿色 LED的平面显示元件已广 泛用于各种信息显示板。对于最难实现的蓝色 LED，采用 了 SiC，数年前也达到了实用化，已有显示灯产品供应市 场 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 2.1 晶体结构及能带结构 LED的发光来源于电子与空穴发生复合时放出的能 量。作为 LED用材料，一是要求电子与空穴的输运效率 要高；二是要求电子与空穴复合时放出的能量应与所需 要的发光波长相对应，一般多采用化合物半导体单晶材 料。众所周知，在半导体中，根据晶体中电子可能存在 的能态有价带、导带、禁带之分。来自半导体单晶的发 光，是穿越这种材料固有禁带的电子与价带的空穴复合 时所产生的现象。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ Si、 Ge等 IV族元素单晶半导体的晶体结构，属于图 7 2 （ a）所示的金刚石结构； GaAs、 GaP、 ZnSe等化合物半导体的 晶体结构，属于图 7 2（ b）所示的闪锌矿结构； GaN具有如图 7 2（ c）所示的纤锌矿结构，属于六方点阵。 半导体元素，有大家所熟知的、位于周期表上第 IV族的 S、 Ge， 它们作为半导体集成电路用材料，在现代电子工业中起着不可替代 的作用。 LED用材料，有由 III族的 Al、 Ga、 n与 V族的 N、 P、 As等 两种以上元素相结合而成的 Ill V族，由 II族的 Zn与 VI族的 S、 Se相 结合而成的 II VI族，由 Si与 C相结合而成的 IV IV族等化合物半导 体。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 一般说来，能带结构与晶体结构关系很大， 化合物半导体的能带结构与金刚石型的能带结构 相类似。表 7 1给出各种半导体晶体的特性。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 半导体材 料 晶体结构 能带结构 禁带宽度 /eV (300K) 点阵常数 / Si 金刚石 间接 1.12 5.43 Ge 金刚石 间接 0.66 5.66 AlP 闪锌矿 间接 2.45 5.46 GaP 闪锌矿 间接 2.24 5.45 InP 闪锌矿 直接 1.35 4.87 AlAs 闪锌矿 间接 2.13 5.66 GaAs 闪锌矿 直接 1.43 5.65 GaN 纤锌矿 直接 3.39 a=3.18 b=5.16 ZnSe 闪锌矿 直接 2.67 5.67 SiC() 六方晶 间接 2.86 a=3.08 b=15.12 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 为了制取发光效率高的 LED，在电子与空穴发生复 合放出能量时，除了要考虑复合前后的能量之外， 还应保持动量守恒。 可获得最高发光效率的复合过程是电子与空穴的最 初动量相同，因复合而放出的能量全部变成光，而 动量却不发生变化，这种情况如图 7-3(a)所示。其 能带结构的特点是，在价带顶与导带底不存在动量 差，这种半导体发生的复合称为直接跃迁型。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 对于电子与空穴的初始动量不同的情况，为 了保持动量守恒，需要热、声等晶格振动参与迁 移过程，因此发生复合的几率变得很低，这种初 始动量不同的电子、空穴的复合称为间接跃迁型， 其能带结构如图 7-3(b)所示。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 另外，如图 7-3(c)所示，通过在导带与价带 之间加人被称作等电子捕集器 (isoelectronic trap) 的杂质中心，也可以使像 GaP这种间接迁移的 情况达到很高的发光效率。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 2.2 发光机制及发光波长 LED的发光源于电子与空穴的复合，其发光波 长是由复合前空穴和电子的能量差决定的。对于 直接跃迁型材料，晶体发光的波长决定于禁带宽 度 Eg，发光波长可由关系式 =1240/Eg求出。为了 得到可见光， Eg必须在 1.6eV以上。 如图 7-3所示在能带结构中，由于导带、价 带都为抛物线形状，因此发光谱两端都会有不同 程度的加宽现象，其半高宽一般为 30 50nm。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 红外 LED中一般使用直接迁移型材料 ， 如 GaAs， GaAlAs， InGaAsP等 。 但也有用掺杂 Si的 GaAs制作的 LED， 通过在比价带高的能量位臵形 成的所谓受主能级与导带的电子发生复合的机制 ， 其发光波长为 940nm， 比 GaAs禁带宽度对应的发 光波长 8 8 0 nm更长些 。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 红色 LED的中心材料 是以 Zn-O对作为发光中心 的 GaP， Zn-O对在其中起等电子捕集器的作用。 GaP为间接跃迁型，在其中导入杂质 Zn-O对作为发 光中心，已实现较高效率的红色 LED，发光波长 为 700nm，晶体不发生自吸收现象，可以在低电流 密度下获得高辉度。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 在橙色 、黄色 LED中 ，使用的是以 N为等电子捕 集器的 GaAsP； 在 绿色 LED中 ，使用的是掺杂有 高浓度 N的间接迁移型 GaP。而且，在纯绿色 LED中，正在使用不掺入杂质的 GaP。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 蓝色 LED需要采用禁带宽度大的材料 已经在研究开发的有 SiC， GaN， ZnSe， ZnS等。 SiC是容易形成 P-N结的材料，属于间接跃迁型， 依靠掺入杂质 Al和 N能级间的跃迁产生发光。 GaN， ZnSe， ZnS为直接跃迁型，可获得高辉 度发光。这些材料的研究开发近年来获得重大 突破，高辉度蓝色 LED正在达到实用化。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 2.3 电流注入与发光 实际 LED的基本结构要有一个 P-N结。当在 P-N结上施 加顺向电压，即 P型接正， N型接负的电压，会使能垒降低， 从而使穿越能垒的电子向 P型区扩散，使穿越能垒的空穴向 N型区扩散的量增加。通常称此为少数载流子注入，注入的 少数载流子与多数载流子发生复合从而放出光。随电压增加， 达到一定值，电流急剧增加，光发射开始。电流开始增加时 对应的电压相应于 P-N结势垒的高度，称该电压为 起始电压 ， 起始电压随 LED材料及元件的结构不同而不同， GaAs为 1.0 1.2V， GaAIAs为 1.5 1.7V， GaP为 1.8V， SiC为 2.5V等 等。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 2.4 发光效率、光输出及亮度 注入 LED的载流子变换为光子的比率称为 内部 量子效率 ；而射出晶体之外的光子与注入载流子之 比称为 外部量子效率 。由于在 P-N结附近发生的光会 受到晶体内部的吸收以及反射而减少，一般说来， 外部量子效率要低于内部量子效率。市售 LED产品 的外部量子效率，红色的大约为 15，从黄色到绿 色的则在 0.3 l范围内，蓝色的大约为 3。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ LED的发光效率与其能量收支相关，其 数值可表示为载流子向 P-N结的注入效率、 载流子变为光的变换效率、产生的光到达晶 体外部的光取出效率三者的乘积。为获得较 高的发光效率，一般要采取各种措施，例如 在结构上采取让光通过一般说来吸收率较小 的 N型半导体，为防止由于晶体表面反射造 成的损失，在晶体表面涂覆高折射率的薄膜 等等。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 对于显示用可见光 LED来说，不仅仅 是要求光输出要大，重要的是与视感度相 关的发光效率。人眼的视感度对 555nm的绿 色出现峰值，而后急速下降。光输出中与 视感度相关的部分称为光度，光度是显示 用可见光 LED的辉度指标。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 2.5 变频特性 在 LED中，由容抗及电阻决定的时间常数非常小， 因此其调频速度决定于载流子的寿命 ，而后者与载 流子注人之后，经过复合，再到载流子消失所用的时 间相对应。也就是说，随着注人电流的变化加速，载 流子密度逐渐不能追随注人电流的变化，响应速度变 慢，发光强度慢慢下降。与低周波变频时相比，当高 周波变频时的发光强度降低 1.5dB时的周波数称为截 止周波数 fc，并由下式表示 fc=1/(2) 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 在 LED中，发光强度与截止周波数通常 按折衷（ (trade-off)关系处理。载流子寿命 长，发光延续的时间亦长，从而发光强度高， 但同时截止周波数变低。通过在活性区高浓 度掺杂杂质，因存在晶体缺陷及俄歇效应等， 非发光复合的比例增加，从而可使载流子寿 命变短。在要求高速响应的光通讯用红外 LED中，截止周波数从数十兆赫到 100MHz 以上；另一方面，在高辉度可见光 LED中， 截止周波数大致在 IMHz上下。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 2.6 LED与激光二极管 如果说 LED是由向 P-N结注人电流的 载流子复合时 放出光 （自然发射光）并向外取出的元件， 激光二极 管（ LD） 则进一步是通过所设臵的光波导及共振器 等，将放出光的一部分返回，并利用诱导放出，使光 的强度升高的发光振器。所谓诱导放出，是通过光对 活性区大量存在的电子与空穴状态多次激发，使其发 生复合，放出光，而放出光的位相与此时输人光的位 相相同，因此光的强度增强。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 图 7-7表示 LD的基本构造及其能带结构。在薄的活性 层两侧，用禁带宽度比活性层的禁带宽度更宽的半导体形 成 P N结。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 3.1 单晶制作技术 利用水平布里奇曼（ Bridgman）法（又称为 HB 法或舟皿生长法）及液体保护旋转提拉法（又 称为液体保护切克劳斯基（ Czochralski）法或 LEC法）可以制备这种块状单晶，这两种方法 都属于可以获得大型基板单晶体的熔液生长法。 GaP单晶可由图 7-8所示的 LEC法单晶拉制装臵 来制造。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ GsAs单晶由控制温差的 HB法制作 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 对于其他材料来说，正在进行制作的有外延三元混晶 （ GaAsP， InGaP， InGaAs等）用的基板单晶，如 InGaAs （ LEC法）及 InGaP（蒸汽压控制法）， II-VI族化合物单 晶如 ZnSe（布里奇曼法、 seeded physical vapor transport法、 带籽晶的物理气相输运法）、 ZnS（碘输运法）、 SiC（升 华法）等 关于单晶生长，今后的研究课题是，减少杂质、提高组成 及杂质分布的均匀性，减少缺陷及位错密度。因此，生长 过程的计算机模拟及生长中的监控越来越重要。目前正在 研究开发的有通过装有籽晶的超声波传感器，对生长中晶 体的结晶生长进行监控的方法，通过 X射线透视装臵进行 监控的方法等。而且，单晶的分析评价技术对于单晶体的 制作来说是必不可少的。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 3.2 外延技术 液相外延（ liquid phase epitaxy， LPE）法 从原 理上说是溶液冷却法，即利用溶解度相对于温度 的变化，通过饱和溶液的冷却，使过饱和的溶质 部分在基板表面析出的方法。在 LPE法中，利用 源的烘烤，可以获得高纯度的优良单晶，而且生 长速率大，现已用于 GaP， GaAs， InP系的 LED的 批量化生产。红、绿色 LED用的 GaP，红色 LED用 的 GaAIAs，红外 LED用的 GaAs，长波长 LED用的 InGaAsP都是通过 LPE法制作的。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 从原理上说是溶液冷却法，即利用溶解度 相对于温度的变化，通过饱和溶液的冷却，使 过饱和的溶质部分在基板表面析出的方法。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 气相外延（ vapor Phase epitaxy， VPE）法， 如图 7 11所示，是使 III族金属源气体与 V族卤化物或氢 化物通过开管式反应而进行的气相生长法，适合批 量生产，目前红、橙、黄色 LED用的 GaAsP就是用 这种方法制作的。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 分子束外延（ molecular beam epitaxy， MBE）法， 如图 7 12所示，是使 PBN小孔坩埚 中的固体加热气化，得到的分子束射向加热到一 定温度的基板单晶上进行单晶生长的方法。其特 点是组成、膜厚的可控制性及均匀性都很好 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 有机金属化学气相沉积（ metal organic chemical vapor deposition， MOCVD）法 ，对于 Ill-V族化合物来 说，是以 Ill族金属的烷基金属化合物为原料， V族元素以 氢化物为原料的气相生长法；以 H2为载带气体，在常压 或减压的气氛中，在加热到一定温度的基板单晶上，在 保持 V族元素过剩的条件下，使气相原料之间发生反应的 单晶生长法。其装臵示意见图 7-13。其特点与 MBE相似， 组成、膜厚的可控制性及均匀性都很好，是适于批量生 产的单晶生长法。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 3.3 掺杂技术 向化合物半导体单晶中掺杂杂质有各种不同的方法。在 LPE法 中，通过向熔液中添加各种杂质，即可获得具有所要求的电导 率、特定载流于浓度的单晶体。在 VPE、 MBE、 MOCVD方法 中，或者使固态的杂质蒸发，或者添加含有杂质的气态化合物， 以获得所要求的电导率及载流子浓度等。掺人杂质的量可以独 立控制，重复性、可控制性都较好。 扩散掺杂仍然是最重要的掺杂方法之一。扩散掺杂法分闭管式 （真空闭管式）和开管式两种，后者操作简单，适合于大直径 晶片及批量化生产。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 近年来，出现一些新的扩散方法，例如通过 Zn及 S的离子 注人层以及电子束（ electron beam， EB）蒸镀的 Si层，利 用快速灯退火进行掺杂，但由于易产生晶体缺陷及结浅等 原因，不适于 LED的制作。选择扩散用掩模一般用 SiO2及 SiNx等，但由于它们与 GaAs的热膨胀系数不同容易造成应 变等，在与掩模的界面处，会产生由扩散引起的所谓“鸟 嘴”现象。为了防止其发生，可用 Si作扩散掩模，而在进 行 Si的扩散时，可以用 Si膜作扩散源。 今后的课题是提高掺杂的均匀性以及采用无掩模的选择掺 杂技术等 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 3.4 元件制作及组装技术 LED的制作分前道（外延）、中道（芯片）、后道（封装）技术。 具体说来，包括下述工序： 由单晶生长及扩散制作 P-N结 形成电极； 解理或划片，将晶片分割成一个个的芯片； 包覆保护膜； 对芯片检测分级； 将芯片固定于引线框架中； 引线键合； 树脂封装； 检查并完成成品。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 对 LED的检查项目包括 ： VI特性， CV特性， 电流 辉度（功率）特性，发光峰波长，发光谱半 高宽，响应速度，发光效率，温度特性，角度特性， 寿命等；此外还有电流、电压、温度的最高允许值 等。对光通讯应用来说，需要测定光输出，截止周 波数，在光纤端的输出，耦合损失，指向特性，静 电破坏特性等。在上述的 LED组装、检查工艺中， 还需要实现自动化以提高效率、降低价格。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 在 LED领域，最近十余年间，在单晶生长方法、 新材料等的研究方面获得了十分突出的进展 最常见的 红光 LED，十余年间其光度得到飞跃性 的提高。其原因是由于采用了由直接跃迁型化合 物半导体 GaAIAs构成的双异质结结构，目前已 出现轴上光度超过 3000mcd（ 20mA）的制品。 在 橙、黄色 LED中 ，采用红色 LED所用的材料 GaAsP，使其发光波长缩短，再加上近年来新开 发的 InGaAlP混晶材料，实现了高辉度 LED。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 在 LED领域， 难度最大的当数蓝色 LED。 研究人员针 对 SiC、 GaN、 ZnSe、 ZnS等材料已经进行过多年的 研究开发。但是，对于这些材料来说，由于存在难以 实现的问题，例如难以实现 P型单晶，不能得到大块 的基板单晶，不容易做成具有优良结晶性的 P-N结等 一系列问题，很难制作与其他颜色 LED的亮度相匹配 的蓝色 LED元件，自然也就谈不上批量生产。但是在 最近数年间，在各种各样的材料方面都获得十分显著 的技术进步，已经生产出亮度可与高辉度红色 LED相 匹敌的蓝色 LED制品。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 4.1 GaP： ZnO红色 LED GaP红色 LED于 1970年前后开始工业化生产，为 LED的 主要产品类型。现在的可见光 LED灯中，利用 GaP材料的占 相当大的比例。基板单晶为 GaP，通过 LPE法形成发光用的 P-N结。在这种 LED中，发光机制是基于间接跃迁型半导体 中等电子捕集器杂质中心的发光，以 Zn-O最近邻对作为发 光中心，可以获得实用的发光效率（批量生产时 5，最高 达 15）。这种 LED在高电流密度区域，发生效率达到极限 值，因此多数在低电流下使用。其显示元件彩色鲜明，灵 巧轻便，多用于室内的各种机器设备中。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 4.2 GaP： N绿色 LED 绿色 LED的发光效率近年来也获得显著提高。绿色 LED的材料与上述的掺 ZnO的红色 LED的材料相同，也是 GaP，即在 GaP基板单晶上用 LPE法形成发光用的 P-N结。 一般市售绿色 LED按其发光峰值波长的大小可分为二大类， 一类是为了提高发光效率，在生长层中添加与 P属于同族 的氮（ N）作为等电子捕集器，这种 LED的发光峰值波长 为 565nrn，为略带黄色的绿色，尽管发光效率较低，一般 为 0.3 0.7，但相对视感度比红色高 10倍以上，显得 非常明亮。其轴上光度一般在 500mcd（ 20mA）以上，也 可用于室外显示器。另一类为纯绿色 LED，在制作过程中 不添加氮，其发光峰值波长为 555nm。发光效率比前一类 要低，但也可以制作出发光效率高于 0.1的制品，其轴上 光度可以达到 200mcd（ 20mA）较高的值。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 4.3 GaAsP系红色 LED 在 GaAsP系单晶体中，随着 GaAs1-xPx的成份比 x的变化，可 以获得从红外（ x=0）到绿色（ x=1）的发光。 先在单晶基板上通 过 VPE法生长 N型 GaAsP，而后经扩散 Zn，形成发光用的 P-N结。 当基板单晶采用 GaP时，由 P-N结（ x=0.55的 GaAs1-xPx单晶）发出 的峰值波长为 650nrn的光受基板单晶的吸收少，从而可提高 LED 的发光效率，其发光效率在批量生产的情况为 0.2，而最高可达 0.5。 对于 GaAsP以及 GaP红色 LED来说，随着 GaP基板单晶生长技术 的完善，发光层结晶性的提高以及掺杂技术的改进，其发光效率 不断提高，辉度年年都有改进。随着批量生产技术的不断完善， 上述两种红色 LED的价格都降到较低的水平 。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 4.4 GaAsP系橙色、黄色 LED 采用 GaAsP的橙色 黄色 LED，其基板单晶为 GaP， 利用 VPE法形成发光用的 P-N结。当 GaAs1-xPx的组成比 x 与红色 LED的相比逐渐变大时，发光波长会向短波长方 向转变。与此相伴，为了改善其能带结构为间接迁移型 的缺点，掺入 1018m-3的氮作为等电子捕集器发光中心， 以提高其发光效率。 x值为 0.65及 0.75时，分别对应发 光峰值波长为 630nrn及 610nrn的橙色 LED，其发光效率 大致在 0.3 0.6。随着 x的进一步增加，对应发光峰 值波长为 590nrn（ x=0.85）及 583nrn（ x-0.90）的黄色 LED，但其发光效率减小到 0.1 0.2左右。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 4.5 GaAlAs系 LED Ga1-xAIxAs LED为发光峰值波长为 660nm的红色 LED，它是为了克服前述的 GaP及 GaAsP红色 LED因达 到饱和，辉度难以提高的缺点而开发的。 如图 7-15所示， 在 X0.35（直接迁移型）的范围内，随着改变 AI与 As的 组成比， Ga1-xAIxAs的发光峰值波长可从 640nm到 900nm 的范围内变化。外延生长采用通常的 LPE法，由于与 GaAs基板单晶的晶格匹配性好，生长层的晶体缺陷少。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 为了改善发光效率，在 Al的组分高、带 隙宽的 GaAIAs中，采用了光取出效率较高的单 异质结（ SH）结构，在此基础上还进一步开发 了将发光层夹于其间，将载流子封闭于发光层 之内的双异质结（ DH）结构。对基板单晶也 采取了措施，例如不采用 GaAs，而是采用对于 发光峰值波长（ 660nm）透明的 GaAIAs等，以 提高光的取出效率。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 由于采取了上述一系列措施，发光效率获 得惊人的提高，以批量生产的外部量子效率 （发光效率）为例，采用 SH结构的可达 3 （轴上光度 500mcd， 20mA），采用 DH结构的 可达 15（轴上辉度 3000mcd， 20mA）。因此， 其应用领域正在向汽车用的高亮度后制动信号 灯及道路状况显示板、广告牌等室外用的各种 显示器扩展。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 4.6 InGaAlP系橙色、黄色 LED InGaAIP是近年来达到实用化的混晶材料， 具有直接跃迁型能带结构。利用这种材料可以提 高橙 黄色 LED的辉度。特别是，由 InP与 Ga1- xAIxP构成的 In0.5(Ga1-xAIx)0.5P混晶，与 GaAs基板 单晶的晶格匹配，混晶比 x从 0到 0.6前后（对应 的发光波长从 660nrn到 555nm）为直接迁移型， 因此可期望制作出从红色到绿色范围相当宽的高 发光效率 LED。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 采用上述 InGaAIP已开发出高辉度（光度 1000mcd以上）橙色（约 620nm） LED。 晶体生长采用减压 MOCVD，并形成双异 质结结构。同时，为了提高内部发光效率， 需要采用最佳杂质浓度及平面度、平整度 要求严格的基板单晶。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 图 7-16为 InGaAIP橙色 LED元件的断面结构 ， 图 7-17表示其发光光谱。对于黄色 LED（波长 590nm）来说，在研究阶段就已经达到与橙色 LED相同程度的光度（ 1000mcd） 特别是最近，在采用光阻断基板的同时，通 过在元件内部形成电流扩散层及黑色反射层等， 已开发出发光峰值波长 566nrn，光度 800mcd的黄 绿色 LED。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 4.7 GaN系蓝色 LED GaN具有直接跃迁型能带结构，从发光效率来说占 有优势，但是存在难以获得大块基板单晶、很难制作 P 型单晶等问题。为此，采用 VPE法，在蓝宝石基板单晶 上生长 N型 GaN，在其单晶生长面上通过扩散 Zn形成 I层， 由此得到了具有 MIS结构的蓝色 LED，其发光效率为 0.03，当电流为 10mA时轴上光度达到 10mcd。但是存 在重复性很差等不少问题，为了实现高辉度需要提高材 料的结晶性以及降低工作电压等，必须采取新的单晶生 长方法来制造。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 为此，采用 MOVPE法在蓝宝石基板单晶上以低温 沉积的氮化铝（ AIN）为缓冲层，进行 GaN的生长，获 得了质量比较高的单晶体。有人进一步通过电子束照 射处理，证明此法对受主杂质的活性化十分有效，并 且首先制成了显示 P型电导性的 GaN单晶体。这种单晶 体是将掺杂有镁（ Mg）的高电阻率 GaN（ GaN： Mg） 经电子束照射，使其电气特性发生变化，由此获得电 阻率大致为数十欧 厘米的 P型单晶。这种 GaN层的 P型 化，通过热退火处理也可以实现，而且用 GaN代替 AlN 作缓冲层，可以获得更高载流子浓度的 P型层。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 基于上述技术，最近 GaN系蓝色 LED的特性得到 明显提高。据报道，由于在发光层中采用了由 InGaN构 成的 DH结构，在发光波长 450nrn的蓝色 LED中，光度已 达到 2500mcd；在发光波长 500nm的蓝绿色 LED中，光 度已达 2000mcd。上述数据已与目前采用 GaAIAs的高辉 度红色 LED的亮度不相上下，而比市售绿色 LED的亮度 还要高，实现了人们多年来一直追求的目标。图 7-18给 出具有 InGaN AIGaN双异质结（ DH）结构的蓝色 LED的示意图。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 4.8 SiC蓝色 LED 在最早投入市场的蓝色 LED中用的材料就是 SiC，与其他材 料不同的是， SiC比较容易获得 P型单晶。 SiC蓝色 LED的发光辉 度，与红色、绿色 LED等相比，还略逊一筹，但随着单晶生长技 术的改进，其发光效率正在逐步提高。 在 LED的制作中，基板单晶采用 6H型的 SiC，利用 LPE法或 VPE法制作 P-N结。 最近，通过采用 SiC基板单晶，在 1700 上下形成 P-N结，以 提高材料的结晶性，在精确控制的条件下，利用氮施主和 Al受主 形成 D-A对发光中心，在可靠性提高的同时，其发光效率获得飞 跃性的提高，辉度已达到 30mcd（ 20mA）。这种 SIC LED的制作 工序如图 7-19所示 。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 关于 SiC大型基板单晶的生长，一般采用真空升 华法，需要 2300oC的高温，以多晶 SiC为原料并臵于高 温端，而在低温端设 SiC籽晶，可以长成高 20mm的 SiC单晶。采用这种方法还能获得具有 N型或 P型电导 性的单晶体。据报道，已有长成直径 34mm，高 14mm 的 N型 SiC单晶。显然，基板单晶生长技术的进展对于 促进 SiC蓝色 LED的批量化生产是极为重要的。 从目前的发展趋势看， SiC蓝色 LED今后在提高发 光效率、改善工艺、降低价格等方面会出现快速的发 展。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 4.9 II-VI族蓝色 LED 在 II-VI族化合物中， ZnSe、 ZnS室温下的能隙宽度 分别为 2.7eV和 3.7eV，而且为直接迁移型半导体材料， 极有希望用于高发光效率的蓝色 LED，而且近年来已获 得十分显著的进步。晶体生长方法以 MBE和 MOCVD为 主，由于属于低温生长而且可保持原料的纯度，从而能 获得优质的单晶体，而且，杂质的掺杂可精确控制。上 述因素为其在 LED中的应用创造了很好的条件。 目前， II-VI族化合物半导体 LED的制作尚处于研究 开发阶段，但有报告指出，采用 ZnSe基板的试制品具有 相当高的发光效率。为了使采用 II-VI族半导体材料的短 波长发光器件达到实用化，还有不少问题需要解决，如 与 P型层间欧姆电极的制作，提高器件的可靠性，降低 价格等，都需要进一步研究开发。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 4.10 全彩色 LED 目前，由全彩色 LED构成的大屏幕显示器正在试 制中，一般是由 SiC 或 GaN等蓝色 LED与由其他材料构 成的红、绿色 LED相组合，构成混合型全彩色 LED泡。 最近各国都在采用前述的高发光效率的 SiC蓝色 LED， GaP红色及绿色 LED，并做成 LED泡，制成包括纯白色 发光在内的可以多色发光的全彩色 LED。图 7-20表示全 彩色 LED显示泡的结构，图 7-21表示全彩色 LED在 CIE 色度图上的发光色度坐标。为做成产品，需要进行封装， 包括引线键合，浇注或模压透明树脂，采取相应的散热 措施，引出电极等。由这种全彩色 LED矩阵布臵构成大 屏幕显示器，颜色鲜明、醒目，具有比一般显示器更接 近自然的色彩，作为高品位信息及图像显示器具有良好 的发展前景。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 4.11 红外 LED 尽管红外 LED的用途与普通显示器的用途不同，在此也略 加介绍。红外 LED的材料主要是 GaAs， P型及 N型杂质都用 Si， 通过改变 LPE单晶生长的条件，可控制 Si原子的臵换位臵（臵换 Ga原子或 As原子），并由此形成 P-N结。相应于这种情况，发光 由深受主能级与导带间的迁移引起，与 GaAs的带隙相对应，发 光波长是相当长的，发光效率很高，接近 20，但响应速度慢。 作为不需要高速响应的光耦合器、光分离器等复合光学器件应用 更为广泛。对于要求高速响应的情况，在牺牲发光效率的情况下， 或采用 Zn扩散的 LED，或者由 GaAIAs构成的 DH结构。在这种情 况下，波长降为 900nm或更低。此外，最近在照相机的自动聚焦 等需要高输出的场合，以及远程控制用光源等，都在使用带有由 GaAIAs制作的 DH结结构的高输出型红外 LED。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ LED在我们的日常生活中屡见不鲜，广泛应用于家用电器、 音响设备、汽车及照相机等产品中。在这些产品中， LED或者用 作显示元件，通过颜色、数字、文字、符号等显示机器设备的工 作状态，向使用者提供必要的信息，或者用作各种用途的发光光 源。 在一些发达国家， LED显示器的应用更为普遍。从小店铺的 营业标志到大商场的商品广告，从加油站的价目牌到大饭店的大 厅壁画以及闹市区的公共告示牌、运动场的比赛成绩显示板等都 在应用 LED，其显示鲜明、醒目，动态效果极好。在交通运输领 域的应用有自动售票机、进站自动检票口的信息显示，火车车厢 内到站站名、时刻显示、站内列车时刻表、到达和发车车次显示 板等。在公路两旁，都设有采用 LED的夜间交通指示标志、交叉 路口路标指示、前方道路通行状态显示等，由于大型动态的红、 黄色 LED显示板极为鲜明、醒目，无疑为汽车司机提供了很大的 方便。下面，针对 LED在显示器中的基本应用，分别加以简单介 绍。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 5.1 指示灯 在 LED的应用中，首先应举出的是各种类型的指 示灯、信号灯等。以前，作为显示用光源，一直采用普 通钨丝白炽灯泡，但存在耐振性差、易破碎等问题。随 着 LED的登场，特别是鉴于 LED的许多优点，指示灯目 前正处于更新换代中。通常， LED的寿命在数十万小时 以上（在规定的使用条件下），为普通白炽灯泡的 100 倍以上。而且具有功耗小、发光响应速度快、亮度高、 小型、耐振动等特点，在各种应用中占有明显优势。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 5.2 数字显示用显示器 利用 LED进行数字显示，有点矩阵型和字段型 两种方式。点矩阵型如图 7-25所示，使 LED发光元 件纵横按矩阵排列，按需要显示的文字只让相应的 元件发光。为进行数字显示，每个数字通常需要 7 行 5列的矩阵，共 35个元件。除数字之外，还可显 示汉语拼音字母、英文字符、罗马字符、日文片假 名等，其视认性也很好。但是，从驱动的简便性及 价格等方面考虑，笔段型显示方式更为有利。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 笔段型数字显示器如图 7-26所示，在 LED芯片 的周围设臵反射框，芯片上方或者装有光扩散用的 散扩片，或者通过混有光扩散剂（三氧化二铝的微 细粉末等）的环氧树脂，将芯片与其周围的结构模 注在一起，则由一个 LED即可构成长方形的均匀发 光面。反射框所围的 LED作为一个笔段单位，大小 可以变化，由此可以形成任意尺寸的数字显示元件。 笔段型显示中，多数为 7笔段型及 16笔段型（见图 7- 27） 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 5.3 阵列显示器 将笔段显示用的反射框按各种各样的形式直线排 列，可对各种变化的量进行连续显示，如果再使用不 同发光颜色的 LED芯片，则可以对大量信息进行全彩 色连续显示。音响设备用的分频音量水平显示器（见 图 7-29）以及汽车用平面转速显示器等都是采用阵列 显示器的实例。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 5.4 单片型平面显示器 单片型 LED显示元件是在同一基板单晶上使发光点形 成字段状或矩阵状的平面显示元件。这种显示元件的特点 是，在保证高密度像素的前提下，可实现超小型化，其新 的用途会不断得到开发。图 7-30是单片型 GaP绿色 LED平面 显示元件的结构（点矩阵型）的实例。每个发光部分的尺 寸及节距分别是 0.23mm X0.23mm，及 0.28mm，在 11.2mmX11.2mm大小的单晶表面上可形成 40 40=1600个 像素。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 5.5 混合型平面显示器 混合型平面显示器与单片型不同，是在组装基 板上使每个 LED芯片排列成矩阵状，构成显示元件。 当用于大型画面时，通常 3000 4000个像素构成一 个模块，在实装基板的背面设臵驱动回路，按瓦块 状排列。例如，利用 GaP多色 LED芯片，该芯片可 发出从红色到绿色的任何中间色的光，按 96X64=6144个像素排列的平面显示元件已达到实用 化。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 5.6 点矩阵型平面显示器 目前，用于室内或室外显示，采用 LED点矩阵 型模块的大型显示器正在迅速推广普及。由于采用 LED点矩阵型模块结构，显示板的大小可由 LED发 光点纵横密排成任意尺寸；发光颜色可以是从红到 绿的任意单色，红、绿、橙三色、多色，甚至全色； 灰度可从十数阶到几十阶分阶调节；与专用 IC相组 合，也可由电视信号驱动，进行电视、录相显示。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 模块结构可分为两大 类。一类为小型模块， 如前面数字显示用显示 器一节中所述，将芯片 连同其周围的反射框在 基板上按矩阵排列，用 树脂模注或盖以散射板， 构成如图 7-31所示的小型 模块点矩阵型平面显示 器。另一类为大型模块， 一般是将一个或多个 LED芯片装在同一显示 泡中，再将该显示泡按 矩阵状排列而构成。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 关于模块的驱动方式，一般是将微机输人的 数据送到显示器的控制部分，显示模块中的像 素将根据 LED的点数据、左旋或右旋数据以及 亮暗数据等驱动信号进行显示。图 7-32是市售 16X32点 LED显示模块的驱动电路方块图，图 7- 33是显示模块的一例。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 室外用单色新闻及广告显示板采用集合型 LED显 示泡方法，由若干个 LED泡构成一个像素，由 16X16=256个像素显示一个文字。 多色显示比较容易实现的一般是红、绿、橙三色 显示。现在已有多色显示大型电视的制品问世。与此 同时，采用红、绿、蓝 LED芯片，可以在更宽的色调 范围内进行全色显示的 LED显示板也逐步完善。 LED平面显示器出现的历史很短，必要的技术积 累和实际制作经验都还很不充分，在可靠性、生产效 率、价格等方面都存在不少问题。在充分发掘其大型 化、高功能化潜力的同时，各方面还需要进一步发展 与完善。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 由 LED阵列布臵成的线光源是 LED新的应用领域 之一。这种光源已用于传真机原稿读取光源（见图 7-34） 和复印机的擦除器等。采用 GaAsP单片 LED阵列的 LED 光写头的市场也正在不断扩大。图 7-35是在 LED光写头 的应用实例。现在，发光部的分辨率为 24点 mm（ 600 点英寸），今后随着高密度集成技术的研究开发，分 辨率可达到 1600点英寸，进人实用化水平估计问题不 大。这种光写头在高密度化的同时，正在向大尺寸的方 向发展。使 LED的光变成平面光源的面发光 LED，可作 为各种液晶显示器及接触式控制盘的背照光源等。图 7- 36表示面发光 LED的结构及在液晶背照光源的应用实例。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 目前，以平面显示器为目标的各种电子显示器正处于激 烈的竞争之中，但说到底还是材料之间的竞争。与其在各类电子 显示器之间分出高低胜负，还不如看看各自的优缺点。 LED有下 面几个显著特征： 第一，最突出的是 LED的高辉度。 随着各种颜色 LED 辉度的迅速提高，即使在日光之下，由 LED发出的光也 能视认。正是基于这一优势，在室外用信息板、广告牌、 道路通行状况告示板、汽车后尾灯等方面的应用正在迅 速扩大。全色化所需要的三原色之一的蓝色，由于 SiC， InGaN等蓝色 LED材料的发展，也达到实用化水平。以 此为基础，室内乃至室外用的全色 LED信息板的应用将 指日可待。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 第二， LED的单元小。 在其他显示材料不能使用 的极小的范围内也能发光，再加上低电压、低电流驱动 的特点，作为电子仪器设备、家用电器的指示灯、信号 灯的使用范围还会进一步扩大。 第三，是长寿命，基本上不需要维修。 可作为地板、 马路、广场地面的信号光源，是一个新的应用领域。 发光二极管 (LED) 品茶，上网，兼职 http:/ 但是 LED也还存在不少需要解决的问题。随着 InGaN高辉度蓝色 LED实现商品化，作为三原色之一的 绿色 LED的相对亮度已显得不够，因此要求绿色能尽快 达到与红色、蓝色相匹配的高辉高。而且，随着大型室 外 LED显示器应用的推广， LED泡的集成技术、多个元 件的单元化以及降低功耗等都需要进一步研究开发。 我国 LED产业的形成和发展主要从 20世纪 90年代开 始。随着国民经济的快速增长和商业繁荣， LED作为信 息显示手段，在金融证券、体育、机场、交通、商业、 广告宣传、邮电电信、指挥调度、国防军事等许多领域 得到了广泛应用。 发光二极管 (LED)