LED基礎(chǔ)知識講解

LED基礎(chǔ)知識講解一、關(guān)于電壓LED的電流-電壓特性？LED的工作電壓為什么偏離禁帶寬度？什么是VF1和VF2，為什么要測量VF1？什么是反向電壓(VR)和反向漏電流(IR)，VR與IR的關(guān)系？什么是ESD？VF，VR與外延和芯片工藝的關(guān)系？LED基礎(chǔ)知識講解1.1LED的電流電壓特性理想二極管方程：I=VDe如果正向電壓V>>kT/e則I≈IseeV/kT，將VD代入改寫方程得到：I=C.ee(V-VD)/kTLED基礎(chǔ)知識講解1.1LED的電流-電壓特性LED的I-V特性曲線。由上述方程可知，當(dāng)正向電壓接近VD時(shí)，電流將迅速增大，此后電流再增大，電壓幾乎不變。當(dāng)摻雜濃度很高時(shí)：Vth

≈VD≈Eg/eEg為半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。LED基礎(chǔ)知識講解1.1LED的電流-電壓特性通常所說的LED工作電壓指，給LED通上20mA電流所需要的電壓。實(shí)際工作的LED的壓降主要來源于：p-n結(jié)、N電極接觸電阻、N型半導(dǎo)體層體電阻，P電極接觸電阻、P型半導(dǎo)體層體電阻。V=Eg/e+IRs傳統(tǒng)LED的接觸電阻和體電阻很小，工作電壓主要取決于p-n結(jié)的性質(zhì)。LED基礎(chǔ)知識講解1.2藍(lán)光LED的電壓為什么偏離Eg藍(lán)光LED使用的InGaAlN材料具有很大的能帶失調(diào)值，形成許多異質(zhì)結(jié)界面，具有較大的勢壘。InGaAlN材料體系的歐姆接觸技術(shù)還不成熟，導(dǎo)致接觸電阻較大，尤其是P型歐姆接觸質(zhì)量較差。InGaAlN材料的P型摻雜困難，導(dǎo)致P型層電導(dǎo)率低，體電阻較大。InGaAlN材料的廣泛使用過渡層技術(shù)，這些過渡層有時(shí)會帶來一些電阻。LED基礎(chǔ)知識講解1.3什么是VF1和VF2，為什么要測量VF1VF1一般指正向通1微安或10微安電流時(shí)的電壓值。VF2一般指正向通20mA電流時(shí)的電壓值，也即泛指的

LED工作電壓。同樣可以定義500mA下的電壓值為VF3，并類推。。。VF1也稱啟動電壓。由于VF1一般略低于Vth，此時(shí)流過p-n結(jié)的電流很小，電壓的大小可以反應(yīng)并聯(lián)電阻的大小(漏電)。并聯(lián)電阻的來源包括結(jié)區(qū)的缺陷，如位錯(cuò)、微孔等，芯片側(cè)面p-n結(jié)附近的導(dǎo)電物質(zhì)污染，以及鈍化層絕緣性差等。一般希望并聯(lián)電阻越大越好（VF1高），但有時(shí)可以利用并聯(lián)電阻保護(hù)LED(ESD)。LED基礎(chǔ)知識講解什么是VR和IRVR指一定反向電流下的電壓值，其最大值為反向擊穿電壓(VB)，一般在反向10微安或1微安下測量。IR指一定的反向電壓下，反向電流的大小，當(dāng)VR<VB時(shí)，IR很小，幾乎為0且不隨VR而變化；當(dāng)VR接近VB時(shí)，IR迅速增大甚至擊穿。藍(lán)光LED一般在5V下測IR。p-n結(jié)反向擊穿有二種模式:雪崩擊穿和隧道擊穿。VB的大小取決于禁帶寬度、摻雜濃度和溫度。LED基礎(chǔ)知識講解1.5什么是ESDESD:ElectroStaticDischarge靜電放電靜電是由于物體接觸分離后出現(xiàn)電荷不平衡而產(chǎn)生的，它存在于物體表面，是正負(fù)電荷在局部失衡時(shí)產(chǎn)生的一種現(xiàn)象，只要有接觸分離就有可能產(chǎn)生靜電。摩擦生電是產(chǎn)生靜電的最普通方法。材料的絕緣性能越好，越容易通過摩擦產(chǎn)生靜電。人體行走、活動時(shí)，衣服的摩擦、人體與其他物品接觸分離等均可產(chǎn)生靜電。靜電放電可以在瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大的電流，導(dǎo)致器件燒毀。LED基礎(chǔ)知識講解1.5什么是ESD靜電放電的波形PerMIL-STD-883EClass10voltto1,999voltsClass22,000voltsto3,999voltsClass34,000voltsandabovePerJESD22-A114-B(HBM)Class00voltto250voltsClass1A250voltsto500voltsClass1B500voltsto1000voltsClass1C1000voltsto2000voltsClass22000voltsto4000voltsClass3A4000voltsto8000voltsClass3B>8000voltsPerJESD22-A115-A(MM)ClassA0voltto200voltsClassB200voltsto400voltsClassC400voltsandaboveLED基礎(chǔ)知識講解1.5什么是ESD靜電測試是有損測試?？轨o電能力是不可篩選項(xiàng)目。相對于傳統(tǒng)LED而言，GaN基LED抗靜電能力較差，但最近幾年已有顯著進(jìn)步。要提高GaNLED的抗靜電能力，主要靠提高外延材料的質(zhì)量，同時(shí)也要提高鈍化層的質(zhì)量。在GaNLED應(yīng)用中可以通過并聯(lián)Zener保護(hù)二極管來避免ESD損傷。LED基礎(chǔ)知識講解1.6VF和VR與外延和芯片工藝的關(guān)系外延工藝對VF的主要影響因素為各層摻雜濃度和厚度，影響摻雜濃度的因素：摻雜元素的流量與摻雜濃度一般呈線性關(guān)系。材料組分不同，摻雜效率可相差很大。溫度對雜質(zhì)摻入效率有很大影響。氣壓對雜質(zhì)摻入效率有很大影響。未摻雜層或低摻雜層的厚度對電壓有決定性影響，而溫度場的均勻性對厚度均勻性具有很大影響。外延工藝導(dǎo)致的電壓問題一般在wafer上具有與反應(yīng)室形狀相關(guān)的分布。LED基礎(chǔ)知識講解1.6VF和VR與外延和芯片工藝的關(guān)系芯片工藝對VF的影響主要在于歐姆接觸的質(zhì)量。對于確定的電極材料，則影響歐姆接觸的主要因素有：半導(dǎo)體材料的表面清洗質(zhì)量，金屬的純度，金屬層的厚度，合金溫度和氣氛，接觸層蝕刻或粗化的深度，電極面積的大小。LED基礎(chǔ)知識講解1.6VF和VR與外延和芯片工藝的關(guān)系外延工藝對VR的影響：

p-n結(jié)附近摻雜濃度越高，VR越低，反之越高。芯片工藝對VR的影響：歐姆接觸不良，VR升高；鈍化不良，VR下降；芯片尺寸縮?。ɑ蚺_面鉆蝕），VR升高；LED基礎(chǔ)知識講解二、關(guān)于波長主波長與峰值波長的關(guān)系？LED發(fā)光波長取決于什么因素？PL波長與EL波長的關(guān)系？什么是波長漂移，它跟什么因素有關(guān)?發(fā)光波長偏差與外延和芯片工藝的關(guān)系？LED基礎(chǔ)知識講解、主波長與峰值波長的關(guān)系峰值波長是該LED發(fā)光光譜中強(qiáng)度最高的點(diǎn)對應(yīng)的波長，峰值波長是一個(gè)純物理量。一般LED是單色光，其發(fā)光光譜只有一個(gè)峰，該峰的頂點(diǎn)對應(yīng)的波長為峰值波長。如果有多個(gè)發(fā)光峰，則峰值波長指最強(qiáng)的一個(gè)的波長。LED基礎(chǔ)知識講解2.1主波長與峰值波長的關(guān)系主波長：任何一個(gè)顏色都可以看作為用某一個(gè)光譜色按一定比例與一個(gè)參照光源（如CIE標(biāo)準(zhǔn)光源A、B、C等，等能光源E，標(biāo)準(zhǔn)照明體D65

等）相混合而匹配出來的顏色，這個(gè)光譜色就是顏色的主波長。顏色的主波長相當(dāng)于人眼觀測到的顏色的色調(diào)（心理量）。若已獲得被測LED器件的色度坐標(biāo)，就可以采用等能白光E光源（

x0＝，y0

＝）作為參照光源來計(jì)算決定顏色的主波長。計(jì)算時(shí)根據(jù)色度圖上連接參照光源色度點(diǎn)與樣品顏色色度點(diǎn)的直線的斜率，查表讀出直線與光譜軌跡的交點(diǎn)，確定主波長。主波長是一個(gè)心理物理量。

LED基礎(chǔ)知識講解、主波長與峰值波長的關(guān)系對于單色光(光譜非常窄)，峰值波長等于主波長。對于LED，一般主波長<555nm時(shí)，主波長>峰值波長；主波長>555nm時(shí)，主波長<峰值波長。引起峰值波長和主波長不相等的原因在于光譜分布不對稱且人眼對不同波長的光的視覺敏感度不同。LED基礎(chǔ)知識講解、LED發(fā)光波長取決于什么因素發(fā)光波長取決于禁帶寬度：

λ=1240/Eg(nm)可見光的波長范圍：380nm-800nm，對應(yīng)的禁帶寬度約通過形成混晶可以實(shí)現(xiàn)發(fā)光波長的連續(xù)變化。LED基礎(chǔ)知識講解、LED發(fā)光波長取決于什么因素影響發(fā)光波長的因素還有：對于采用量子阱結(jié)構(gòu)的器件，量子限制效應(yīng)會使發(fā)光波長變短（阱越窄越短）。對于InGaAlN材料體系，由于有很強(qiáng)的極化電場，使發(fā)光波長變長（阱越寬越長）。溫度升高，發(fā)光波長變長。發(fā)光層承受的應(yīng)力狀態(tài)可使發(fā)光波長變化，張應(yīng)力使波長變長，壓應(yīng)力使波長變短。LED基礎(chǔ)知識講解、PL波長與EL波長的關(guān)系PL波長指用激光激發(fā)發(fā)光層得到的發(fā)光的波長，一般用于對外延片直接測量。EL波長指用電流注入發(fā)光層得到的發(fā)光的波長，一般用于芯片測量。PL波長和EL波長差異的可能原因：兩種測量的發(fā)光層位置不同；兩種測量的激發(fā)密度不同；

EL測量有較強(qiáng)的載流子屏蔽作用。LED基礎(chǔ)知識講解、什么是波長漂移，它跟什么因素有關(guān)?波長漂移通常指LED在不同的工作電流下發(fā)光波長的變化。對于傳統(tǒng)的LED，波長漂移較小，不太引起注意。GaN基藍(lán)綠光LED，一般隨著電流的加大，波長變短（藍(lán)移），從1mA到20mA，波長的移動有時(shí)達(dá)到10nm以上，所以對于顏色敏感的應(yīng)用領(lǐng)域是一個(gè)重要的問題。GaN基LED的波長飄移主要來源于量子阱中巨大的極化電場，該電場的存在使發(fā)光波長變長。隨著注入電流增大，該電場被逐漸屏蔽，波長藍(lán)移。量子阱越厚，阱的In組分越高，波長飄移越大。LED基礎(chǔ)知識講解、發(fā)光波長偏差與外延和芯片工藝的關(guān)系？Mapping圖中波長偏差一般是外延工藝決定的。波長的偏差大多數(shù)情況下跟溫度的均勻性有關(guān)：

TS機(jī)型ABC加熱比調(diào)節(jié)不當(dāng)；

Aixtron機(jī)型的Coil或大盤未調(diào)平；操作員未把襯底放好，局部被墊起。氣流輸運(yùn)未達(dá)平衡，外延片表面生長速率不一致，阱寬或阱的In組分不均勻則發(fā)光波長不均勻。外延工藝不合適，外延層應(yīng)力太大導(dǎo)致襯底翹起，引起傳熱不均勻。設(shè)備故障，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)未正常運(yùn)轉(zhuǎn)。LED基礎(chǔ)知識講解、發(fā)光波長偏差與外延和芯片工藝的關(guān)系？一般情況下，發(fā)光波長偏差與芯片工藝關(guān)系不大。但某些工藝控制不當(dāng)可引起波長變化：部分工藝可改變外延片應(yīng)力結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致波長變化，如粗化；如因芯片工藝不當(dāng)，導(dǎo)致漏電嚴(yán)重，則波長可能發(fā)生變化；芯片工序如果混片，會導(dǎo)致波長判斷出現(xiàn)錯(cuò)誤！LED基礎(chǔ)知識講解三、關(guān)于亮度怎樣表征LED的發(fā)光效率？怎樣表征LED的亮度？流明(lm)、毫瓦(mW)、毫燭光(mcd)、勒克斯(lx)、尼特(nit)這些單位之間有什么區(qū)別和聯(lián)系？為什么綠光mW低而mcd反而高？LED基礎(chǔ)知識講解、怎樣表征LED的發(fā)光效率內(nèi)量子效率：電子空穴復(fù)合產(chǎn)生的光子數(shù)與注入的電子空穴對的比例。外量子效率：發(fā)射到LED器件外的光子數(shù)與注入的電子空穴對數(shù)的比例。抽取效率：外量子效率和內(nèi)量子效率的比值。功率效率：輸出的光功率與輸入的電功率的比值。流明效率：輸出的光通量與輸入的電功率的比值。LED基礎(chǔ)知識講解、怎樣表征LED的發(fā)光強(qiáng)度表征LED芯片發(fā)光強(qiáng)度的術(shù)語常用的有兩個(gè)：光強(qiáng)：一光源在單位立體角內(nèi)所發(fā)射的光通量，其單位為燭光(cd)，一單位立體角發(fā)出一個(gè)流明的光，起光強(qiáng)就是一燭光。光輸出功率：一光源單位時(shí)間內(nèi)輸出的光能量，其單位為毫瓦（mW=mJ/s）。封裝后的LED一般用法向光強(qiáng)和輻射半強(qiáng)角來表征其亮度。對于白光LED，除了用法向光強(qiáng)還常用光通量來表示其亮度。光通量：一輻射源單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的輻射對人眼所引起的感覺的量（單位：流明）。LED基礎(chǔ)知識講解、怎樣表征LED的發(fā)光強(qiáng)度對于照明光源，除了用流明效率表示亮度外，還常用的術(shù)語有：面發(fā)光亮度（單位：尼特，nit）：一尼特等于一平方米表面沿法線方向產(chǎn)生一燭光的光強(qiáng)。照度（單位：勒克斯，lx）:一勒克斯為一平方米面積上接受一流明的光通量。LED基礎(chǔ)知識講解為什么綠光mW低而mcd反而高？4400.0234500.0334600.0604700.0904800.1394900.2085000.3235100.5035200.7105300.862人眼對不同波長的光敏感度不同，敏感度最強(qiáng)的是555nm的綠光（683lm