LED芯片

LED芯片

一种固态的半导体器件，LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。

也称为led发光芯片，是led灯的核心组件，也就是指的P-N结。其主要功能是：把电能转化为光能，芯片的主要材料为单晶硅。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

历史

50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，1962年，通用电气公司的尼克·何伦亚克（Nick HolonyakJr.）开发出第一种实际应用的可见光发光二极管。LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上 ，然后四周用环氧树脂密封，即固体封装，所以能起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。

最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命、低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。

研究意义

随着 LED 技术的快速发展以及 LED 光效的逐步提高，LED 的应用将越来越广泛。随着全球性能源短缺问题的日益严重，人们越来越关注 LED 在照明市场的发展前景，LED 将是取代白炽灯、钨丝灯和荧光灯的潜力光源。

LED 照明市场发展空间广阔。LED 照明灯具应用已经从过去室外景观照明 LED 发展向室内照明应用。据分析未来五年内 LED 室内照明的发展将有指数型增长趋势。2011年其产值高达数百亿美元。尤其是 2009 年欧盟率先实施禁用白炽灯计划，以及节能议题备受关注，造就了 LED 室内照明巨大的市场机遇和乐观的前景。 [1]

芯片技术提升和价格走低是促进 LED 照明应用成本下降的关键。随着 LED芯片技术的提升，LED 发光效率提高后，单颗 LED 芯片所需的成本不断下降。同时，上游投资带动的大规模产能释放，引发较强的市场竞争也将带动芯片价格下降，这有效推动 LED 照明产品成本的下降。2011 年，芯片从之前的供不应求快速转换为供过于求，芯片价格快速下降。例如，小功率的 7.5mil×7.5mil 蓝光芯片和大功率的 45mil×45mil 蓝光芯片 2011 年一年内价格分别下降了 55.9%和 55.0%。 [1]

无论是面向重点照明和整体照明的高功率 LED 芯片，还是用于装饰照明和一些简单的辅助照明的低功率 LED 芯片，技术升级的关键都关乎如何开发出更高效、更稳定的 LED 芯片。在短短数年内，借助于包括新型芯片结构和多量子阱结构的新型外延机构设计在内的一系列技术改进，LED 的发光效率实现了巨大突破，这些技术突破都将为LED 半导体照明的普及铺平道路。 [1]

分类

MB芯片

定义：MB 芯片﹕Metal Bonding (金属粘着）芯片﹔该芯片属于UEC 的专利产品

特点：1、 采用高散热系数的材料---Si 作为衬底﹐散热容易.

Thermal Conductivity

GaAs: 46 W/m-K

GaP: 77 W/m-K

Si: 125 ～ 150 W/m-K

Cupper:300~400 W/m-k

SiC: 490 W/m-K

2、通过金属层来接合(wafer bonding)磊晶层和衬底，同时反射光子，避免衬底的吸收.

3、导电的Si 衬底取代GaAs 衬底，具备良好的热传导能力(导热系数相差3~4 倍)，更适应于高驱动电流领域。4、底部金属反射层﹐有利于光度的提升及散热

5、尺寸可加大﹐应用于High power 领域﹐eg : 42mil MB

GB芯片

定义：GB 芯片﹕Glue Bonding (粘着结合）芯片﹔该芯片属于UEC 的专利产品

特点： 1﹕透明的蓝宝石衬底取代吸光的GaAs衬底﹐其出光功率是传统AS (Absorbable structure)芯片的2倍以上﹐蓝宝石衬底类似TS芯片的GaP衬底.

2﹕芯片四面发光﹐具有出色的Pattern图

3﹕亮度方面﹐其整体亮度已超过TS芯片的水平(8.6mil)

4﹕双电极结构﹐其耐高电流方面要稍差于TS单电极TS芯片定义和特点

TS芯片

定义：TS 芯片﹕ transparent structure(透明衬底)芯片﹐该芯片属于HP 的专利产品。

特点：1.芯片工艺制作复杂﹐远高于AS LED

2. 信赖性卓越

3.透明的GaP衬底﹐不吸收光﹐亮度高

4.应用广泛

AS芯片

定义：AS 芯片﹕Absorbable structure (吸收衬底）芯片﹔经过近四十年的发展努力﹐台湾LED光电业界对于该类型芯片的研发﹑生产﹑销售处于成熟的阶段﹐各大公司在此方面的研发水平基本处于同一水平﹐差距不大. 大陆芯片制造业起步较晚﹐其亮度及可靠度与台湾业界还有一定的差距﹐在这里我们所谈的AS芯片﹐特指UEC的AS芯片﹐eg: 712SOL-VR, 709SOL-VR, 712SYM-VR,709SYM-VR 等

特点： 1. 四元芯片﹐采用 MOVPE工艺制备﹐亮度相对于常规芯片要亮

2. 信赖性优良

3. 应用广泛

芯片种类

1、LPE：Liquid Phase Epitaxy(液相磊晶法) GaP/GaP

2、VPE：Vapor Phase Epitaxy(气相磊晶法) GaAsP/GaAs

3、MOVPE：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy (有机金属气相磊晶法) AlGaInP、GaN

4、SH：GaAlAs/GaAs Single Heterostructure(单异型结构)GaAlAs/GaAs

5、DH：GaAlAs/GaAs Double Heterostructure， (双异型结构) GaAlAs/GaAs

6、 DDH：GaAlAs/GaAlAs Double Heterostructure， (双异型结构) GaAlAs/GaAlAs

芯片结构

倒装结构

传统的LED芯片采用正装结构,上面通常涂敷一层环氧树脂,下面以蓝宝石作为衬底。一方面,由于蓝宝石的导热性较差,有源层产生的热量不能及时地释放,而且蓝宝石衬底会吸收有源区的光线,即使增加金属反射层也无法完全解决吸收的问题;另一方面,由于环氧树脂的导热能力很差,热量只能靠芯片下面的引脚散出。因此前后两方面都造成散热的难题,影响了器件的性能和可靠性。鉴于此,LED的倒装焊接技术应运而生。 [2]

2001年,LumiLeds研制出了AIGalnN功率型倒装芯片结构,LED芯片通过凸点倒装连接到硅基上。这样大功率LED产生的热量不必经由芯片的蓝宝石衬底,而是直接传到热导率更高的硅或陶瓷衬底,再传到金属底座,由于其有源发热区更接近于散热体,可降低内部热沉热阻。这种结构的热阻理论计算最低可达到1.34K/W,实际做到6-8K/W,出光率也提高了60%左右。但是,热阻是与热沉的厚度成正比的,由于受硅片机械强度与导热性能所限,很难通过减薄硅片来进一步降低内部热沉的热阻,这就制约了其传热性能的进一步提高。 [2]

垂直结构

LED芯片有横向和垂直两种基本结构。所谓的横向结构LED芯片是指芯片两个电极在外延片的同侧,由于电极在同一侧,电流在n-和p-类型限制层中横向流动不利于电流的扩散以及热量的散发。相反,垂直结构LED芯片是指两个电极分布在外延片的异侧,以图形化电极和全部的p型限制层作为第二电极,使得电流几乎全部垂直流过LED外延层,极少横向流动的电流。目前垂直结构LED可以按材料分为GaP基LED、GaN基LED和ZnO基LED。LED的分别用红色和黑色表示)分别与热沉或PCB或电路板上的正、负极(分别用红色和黑色表示)电联接。外界电源与电路板上的“十”和“一”极相联接。 [2]

由SemiLedS研发的以蓝宝石为衬底的垂直结构GaN基LED芯片从2005年11月开始进入市场。制造垂直结构LED芯片有两种基本方法:剥离生长衬底和不剥离生长衬底。相比横向结构的LED芯片,垂直结构的LED芯片具有以下明显的优势:

(l)所有的制造工艺都是在晶片水平进行的。

(2)抗静电能力高。

(3)无需打金线,一方面封装厚度薄,可用于制造超薄型的器件,如背光源,大屏幕显示等;另一方面,良品率和可靠性均得以提高。

(4)在封装前进行老化,降低生产成本。

(5)可以采用较大直径的通孔/金属填充塞和多个的通孔/金属填充塞进一步提高衬底的散热效率。这一特点对大功率LED尤其重要。 [2]

重要参数

1、正向工作电流If

它是指发光二极体正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6·IFm以下。

2、正向工作电压VF

参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在IF=20mA时测得的。发光二极体正向工作电压VF在1.4～3V。在外界温度升高时，VF将下降。

3、V-I特性

发光二极体的电压与电流的关系，在正向电压正小于某一值(叫阈值)时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。

4、发光强度IV

发光二极体的发光强度通常是指法线(对圆柱形发光管是指其轴线)方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为(1/683)W/sr时，则发光1坎德拉(符号为cd)。由于一般LED的发光二极管强度小，所以发光强度常用烛光(坎德拉, mcd)作单位。

5、LED的发光角度

-90°- +90°

6、光谱半宽度Δλ

它表示发光管的光谱纯度。

7、半值角θ1/2和视角

θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向(法向)的夹角。

8、全形

根据LED发光立体角换算出的角度，也叫平面角。

9、视角

指LED发光的最大角度，根据视角不同，应用也不同，也叫光强角。

10、半形

法向0°与最大发光强度值/2之间的夹角。严格上来说，是最大发光强度值与最大发光强度值/2所对应的夹角。LED的封装技术导致最大发光角度并不是法向0°的光强值，引入偏差角，指得是最大发光强度对应的角度与法向0°之间的夹角。

11、最大正向直流电流IFm

允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极体。

12、最大反向电压VRm

所允许加的最大反向电压即击穿电压。超过此值，发光二极体可能被击穿损坏。

13、工作环境topm

发光二极体可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极体将不能正常工作，效率大大降低。

14、允许功耗Pm

允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。

芯片尺寸

大功率LED芯片有尺寸为3838mil，4040mil，45*45mil等三种当然芯片尺寸是可以订制的，这只是一般常见的规格。mil是尺寸单位，一个mil是千分之一英寸。40mil差不多是1毫米。38mil，40mil，45mil都是1W大功率芯片的常用尺寸规格。理论上来说，芯片越大，能承受的电流及功率就越大。不过芯片材质及制程也是影响芯片功率大小的主要因素。例如CREE 40mil的芯片能承受1W到3W的功率，其他厂牌同样大小的芯片，最多能承受到2W。

发光亮度

一般亮度：R(红色GaAsP 655nm)、H ( 高红GaP 697nm )、G ( 绿色GaP 565nm )、Y ( 黄色GaAsP/GaP 585nm )、E(桔色GaAsP/ GaP 635nm )等；

高亮度：VG (较亮绿色GaP 565nm )、VY(较亮黄色 GaAsP/ GaP 585nm )、SR( 较亮红色GaAlAS 660nm )；

超高亮度：UG﹑UY﹑UR﹑UYS﹑URF﹑UE等。

二元晶片(磷﹑镓)：H﹑G等；

三元晶片(磷﹑镓 ﹑砷)：SR(较亮红色GaAlAS 660nm)、 HR (超亮红色GaAlAs 660nm)、UR(最亮红色GaAlAs 660nm)等；

四元晶片(磷﹑铝﹑镓﹑铟)：SRF( 较亮红色 AlGalnP )、HRF(超亮红色 AlGalnP)、URF(最亮红色 AlGalnP 630nm)、VY(较亮黄色GaAsP/GaP 585nm)、HY(超亮黄色 AlGalnP 595nm)、UY(最亮黄色 AlGalnP 595nm)、UYS(最亮黄色 AlGalnP 587nm)、UE(最亮桔色 AlGalnP 620nm)、HE(超亮桔色 AlGalnP 620nm)、UG (最亮绿色 AIGalnP 574nm) LED等。

衬底

对于制作LED芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题。应该采用哪种合适的衬底，需要根据设备和LED器件的要求进行选择。三种衬底材料：蓝宝石（Al2O3）、硅（Si）、碳化硅（SiC）。

蓝宝石的优点：1.生产技术成熟、器件质量较好 ;2.稳定性很好，能够运用在高温生长过程中; 3.机械强度高，易于处理和清洗。

蓝宝石的不足：1.晶格失配和热应力失配，会在外延层中产生大量缺陷；2.蓝宝石是一种绝缘体，在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少；3.增加了光刻、蚀刻工艺过程，制作成本高。

硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明显改善，从而延长了器件的寿命。

碳化硅衬底（CREE公司专门采用SiC材料作为衬底）的LED芯片，电极是L型电极，电流是纵向流动的。采用这种衬底制作的器件的导电和导热性能都非常好，有利于做成面积较大的大功率器件。优点： 碳化硅的导热系数为490W/m·K，要比蓝宝石衬底高出10倍以上。不足：碳化硅制造成本较高，实现其商业化还需要降低相应的成本。

led特点

（1）四元芯片，采用MOVPE工艺制备，亮度相对于常规芯片要亮。

（2）信赖性优良。

（3）应用广泛。

（4）安全性高。

（5）寿命长。

如何评判

led芯片的价格：一般情况系下方片的价格要高于圆片的价格，大功率led芯片肯定要高于小功率led芯片，进口的要高于国产的，进口的来源价格从日本、美国、台湾依次减低。

led芯片的质量：评价led芯片的质量主要从裸晶亮度、衰减度两个主要标准来衡量，在封装过程中主要从led芯片封装的成品率来计算。

日常使用

红灯：9mil正规方片，（纯红）波长：620-625nm，上下60°、左右120°，亮度高达1000-1200mcd；

绿灯：12mil正规方片，（纯绿）波长：520-525nm，上下60°、左右120°，亮度高达2000-3000mcd；

性能：具有亮度高、抗静电能力强、抗衰减能力强、一致性好等特点，是制作led招牌、led发光字的最佳选择。