LED芯片的發光原理與分類

　　一、LED歷史

　　50年前人們已經了解半導體材料可產生光線的基本知識，1962年，通用電氣公司的尼克•何倫亞克（NickHolonyakJr.）開發出第一種實際應用的可見光發光二極管。LED是英文light emitTIng diode（發光二極管）的縮寫，它的基本結構是一塊電致發光的半導體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環氧樹脂密封，即固體封裝，所以能起到保護內部芯線的作用，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用，產生了很好的經濟效益和社會效益。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，它產生2000流明的白光。經紅色濾光片后，光損失90%，只剩下200流明的紅光。而在新設計的燈中，Lumileds公司采用了18個紅色LED光源，包括電路損失在內，共耗電14瓦，即可產生同樣的光效。 汽車信號燈也是LED光源應用的重要領域。

　　二、LED芯片原理

　　LED（Light EmitTIng Diode），發光二極管，是一種固態的半導體器件，它可以直接把電轉化為光。LED的心臟是一個半導體的晶片，晶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，使整個晶片被環氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，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”。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區，在P區里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發出能量，這就是LED發光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結的材料決定的。

　　三、LED芯片的分類

　　1.MB芯片定義與特點

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

　　特點：

　　（1）采用高散熱系數的材料---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

　　（2）通過金屬層來接合（wafer bonding）磊晶層和襯底，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（導熱系數相差3~4倍），更適應于高驅動電流領域。

　　（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，eg:42mil MB。

　　2.GB芯片定義和特點

　　定義：Glue Bonding（粘著結合）芯片；該芯片屬于UEC的專利產品。

　　特點：

　　（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）雙電極結構，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

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

　　特點：

　　（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。

　　4.AS芯片定義與特點

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

　　大陸芯片制造業起步較晚，其亮度及可靠度與臺灣業界還有一定的差距，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：

　　（1）四元芯片，采用MOVPE工藝制備，亮度相對于常規芯片要亮。

　　（2）信賴性優良。

　　（3）應用廣泛。

　　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 （有機金屬氣相磊晶法） AlGaInP、GaN

　　4.SH：GaAlAs/GaAs Single Heterostructure（單異型結構）GaAlAs/GaAs

　　5.DH：GaAlAs/GaAs Double Heterostructure（雙異型結構） GaAlAs/GaAs

　　6.DDH：GaAlAs/GaAlAs Double Heterostructure（雙異型結構） GaAlAs/GaAlAs

　　五、LED芯片組成及發光

　　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晶片型號發光顏色組成元素波長（nm）

　　SBI藍色lnGaN/sic 430 HY超亮黃色AlGalnP 595

　　SBK較亮藍色lnGaN/sic 468 SE高亮桔色GaAsP/GaP 610

　　DBK較亮藍色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標準綠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