第六章第九節(jié),光發(fā)射二極管LED,LED是light-emittingdiode的縮寫，在某些半導體材料的PN結中，注入的少數載流子與多數載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。PN結加反向電壓，少數載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。,6.9.1LED原理,Fig6.43,FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005),最簡單的LED的結構：在適當的襯底上（GaAs、GaP）上面生長一層摻雜的半導體層。一般是采用外延方式及接著襯底晶體的結構生長。然后再通過生長出另一層P型摻雜的外延層就形成了pn+節(jié)。如果外延層和襯底晶體的晶格參數不匹配，易產生促進無輻射EHP復合過程的晶格缺陷。因此，實現LED外延層與襯底之間的晶格匹配非常重要。例如在GaAs襯底上生長AlGaAs外延層有很好的晶格匹配，可制作高效率的LED芯片。,Fig6.44,FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005),直接帶隙半導體材料就是導帶最小值（導帶底）和滿帶最大值在k空間中同一位置。電子要躍遷到導帶上產生導電的電子和空穴（形成半滿能帶）只需要吸收能量。間接帶隙半導體材料導帶最小值（導帶底）和滿帶最大值在k空間中不同位置。形成半滿能帶不只需要吸收能量，還要改變動量。間接帶隙半導體材料導帶最小值（導帶底）和滿帶最大值在k空間中不同位置。電子在k狀態(tài)時的動量是（h/2pi）k，k不同，動量就不同，從一個狀態(tài)到另一個必須改變動量。LED發(fā)光可以是直接帶隙間的躍遷復合，也可以是通過間接帶隙間的復合中心復合。,Fig6.45,FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005),外部效率：表示將電能轉化為外部光能的效率。在近日東京的舉辦的“nanotech2009國際納米技術綜合展”上，面向新一代照明用LED，東芝展出了正在開發(fā)的近紫外LED。其外部量子效率較高，達到了36%。發(fā)光波長為380nm。為了提高發(fā)光效率，抑制了GaN結晶的缺陷，提高了平坦性。,FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005),異質結【heterojunction】兩種不同的半導體相接觸所形成的界面區(qū)域。按照兩種材料的導電類型不同，異質結可分為同型異質結（P-p結或N-n結）和異型異質(P-n或p-N)結，多層異質結稱為異質結構。通常形成異質結的條件是：兩種半導體有相似的晶體結構、相近的原子間距和熱膨脹系數。利用界面合金、外延生長、真空淀積等技術，都可以制造異質結。雙異質結結構可以增加LED輸出光的強度。如下圖中的寬禁帶AlGaAs層扮演了將所注入的電子限制在p-GaAs層的限制層的角色。,6.9.2異質結高亮度LED,Fig6.46,FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005),(a)Adoubleheterostructurediodehastwojunctionswhicharebetweentwodifferentbandgapsemiconductors(GaAsandAlGaAs).(b)Asimplifiedenergybanddiagramwithexaggeratedfeatures.EFmustbeuniform.(c)Forwardbiasedsimplifiedenergybanddiagram.(d)ForwardbiasedLED.SchematicillustrationofphotonsescapingreabsorptionintheAlGaAslayerandbeingemittedfromthedevice.,LED是利用化合物材料制成pn結的光電器件。它具備pn結結型器件的電學特性：I-V特性、C-V特性和特有的光學特性：光譜特性、發(fā)光光強指向特性、時間特性以及熱學特性。LED發(fā)光強度或光功率輸出隨著波長變化而不同，繪成一條分布曲線光譜分布曲線。當此曲線確定之后，器件的有關主波長、純度等相關色度學參數亦隨之而定。LED的光譜分布主要決定于制備所用化合物半導體種類、性質及pn結結構（外延層厚度、摻雜雜質）等有關，而與器件的幾何形狀、封裝方式關系較小。,6.9.3LED的特性,Fig6.47,FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005),(a)Energybanddiagramwithpossiblerecombinationpaths.(b)EnergydistributionofelectronsintheCBandholesintheVB.Thehighestelectronconcentrationis(1/2)kTaboveEc.(c)Therelativelightintensityasafunctionofphotonenergybasedon(b).(d)Relativeintensityasafunctionofwavelengthintheoutputspectrumbasedon(b)and(c).,Fig6.48,FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005),(a)Atypicaloutputspectrum(relativeintensityvswavelength)fromaredGaAsPLED.(b)Typicaloutputlightpowervs.forwardcurrent.(c)TypicalI-VcharacteristicsofaredLED.Theturn-onvoltageisaround1.5V,LED熱學特性：小電流下，LED溫升不明顯。若環(huán)境溫度較高，LED的主波長就會紅移，亮度會下降，發(fā)光均勻性、一致性變差。這種效應在點陣、大顯示屏尤其明顯。點陣、大顯示屏的溫升對LED的可靠性、穩(wěn)定性影響更為顯著。所以散熱設計很關鍵。,TheoutputspectrumfromAlGaAsLED.Valuesnormalizedtopeakemissionat25oC,P4726.4二極管的溫度特性1.反偏電流對溫度的敏感度（略）2.正偏時，每單位溫度變化引起pn結上電壓的變化P477三元合金AlxGa1-xAs的帶隙Eg遵循的關系式。,我國LED產業(yè)現狀,LED照明產業(yè)在迎來一個發(fā)展良機的同時也發(fā)現了行業(yè)存在的一些嚴重阻礙行業(yè)發(fā)展的問題。根據“十二五”規(guī)劃，到2015年我國LED產業(yè)規(guī)模達到5000億元，產業(yè)面臨著巨大商機。中國民營科技促進會經過調研發(fā)現，目前我國LED產業(yè)仍面臨諸多困局，甚至已經形成制約產業(yè)持續(xù)發(fā)展的桎梏。產品價格過高商業(yè)化應用推廣舉步維艱國家在去年已經啟動“十城萬盞”LED節(jié)能計劃，目前已經有42個城市列入該計劃。不過，除了裝飾用的LED照明已經逐步普及化外，至今絕大部分的LED通用照明應用還局限于政府示范工程。市場推廣難的主要原因是LED照明產品價格過高。由于芯片在LED產品成本中占30%甚至更高，而我國照明級高端LED芯片主要依靠進口，價格較為昂貴，造成同等光照亮度的LED照明產品的價格居高不下，對普通的消費者沒有較大吸引力。,產品同質化競爭激烈缺乏龍頭企業(yè)及主導品牌中國LED行業(yè)企業(yè)數量眾多，整體已取得較大進步，但企業(yè)規(guī)模普遍偏小，缺乏龍頭企業(yè)。隨著大部分LED廠家將產品前期研發(fā)和主要模塊生產交與方案商，LED準入門檻降低，市場競爭激烈。目前國內有1950家LED封裝企業(yè)，而企業(yè)推出的各類LED應用新產品數量不足530件；LED路燈企業(yè)超過300家，產品基本處于互相抄襲模仿的階段。同質化競爭造成價格戰(zhàn)硝煙四起，缺少標桿性的品牌，企業(yè)規(guī)模難以壯大，行業(yè)缺乏公信力。培植龍頭企業(yè)，加快自主品牌建設已迫在眉睫。,產業(yè)投資過熱盲目低水平重復建設世博、亞運、“十城萬盞”政策推進，LED市場需求大增。多個地市將LED產業(yè)作為支柱性產業(yè)發(fā)展，國內LED市場前景樂觀，海內外投資兼并整合上下游企業(yè)進程加速，傳統(tǒng)照明企業(yè)、國有資本、民間資本等也紛紛進入，出現產業(yè)投資熱潮。以上游的外延片生產關鍵設備MOCVD為例，2010年到廠安裝進口設備達300臺，未來3年全國計劃進口超過1000臺，是2008年的10倍以上。未經科學決策和合理規(guī)劃LED產業(yè)布局，大規(guī)模集中引進MOCVD關鍵設備，可能導致低端芯片產能大爆發(fā)，LED產業(yè)可能重蹈我國2008、2009年多晶硅投資熱失敗的覆轍。,缺乏關鍵技術和核心專利專利技術是全球主要LED廠商獲得競爭優(yōu)勢、保持市場份額的重要手段。國內LED專利技術構成不完善，上游專利大部分被國外廠商所掌握，技術受制于人，高端芯片8