[发明专利]一种LED外延结构

说明书

技术领域

本发明属于LED外延技术领域，特别是涉及一种LED外延结构。

背景技术

LED是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光，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，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。

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，低光视效能的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。

对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1998年发白光的 LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石(YAG)封 装在一起做成。GaN芯片发蓝光(λp＝465nm，Wd＝30nm)，高温烧 结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光射，峰值 550nLED灯m。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG 的树脂薄层，约200-500nm。LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸 收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到白光。

LED灯最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于 20世纪60年代初。当时所用的材料是GaAsP，发红光(λp＝650nm)， 在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的光视 效能约0.1流明/瓦。

70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光(λp＝555nm)， 黄光(λp＝590nm)和橙光(λp＝610nm)，光视效能也提高到1流明/ 瓦。到了80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED 的光视效能达到10流明/瓦。90年代初，发红光、黄光的GaAlInP 和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED的光视效能 得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在红、橙区 (λp＝615nm)的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区 域(λp＝530nm)的光视效能可以达到50流明/瓦。

LED外延片是一块加热至适当温度的衬底基片，材料是半导体 照明产业技术发展的基石。不同的衬底材料，需要不同的LED外延 片生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，衬底材料决定了半导体 照明技术的发展路线。

LED外延片生长的基本原理是：在一块加热至适当温度的衬底 基片(主要有蓝宝石和、SiC、Si)上，气态物质InGaAlP有控制的输送 到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。目前LED外延片生长技术主要 采用有机金属化学气相沉积方法。

LED外延片衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石。不同 的衬底材料，需要不同的LED外延片生长技术、芯片加工技术和器 件封装技术，衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。

LED外延片衬底材料选择特点：

结构特性好，外延材料与衬底的晶体结构相同或相近、晶格常数 失配度小、结晶性能好、缺陷密度小；界面特性好，有利于外延材料 成核且黏附性强；化学稳定性好，在外延生长的温度和气氛中不容易 分解和腐蚀；热学性能好，包括导热性好和热失配度小；导电性好， 能制成上下结构；光学性能好，制作的器件所发出的光被衬底吸收小； 机械性能好，器件容易加工，包括减薄、抛光和切割等；价格低廉； 大尺寸，一般要求直径不小于2英吋。容易得到规则形状衬底(除非 有其他特殊要求)，与外延设备托盘孔相似的衬底形状才不容易形成 不规则涡流，以至于影响外延质量。在不影响外延质量的前提下，衬 底的可加工性尽量满足后续芯片和封装加工工艺要求。