奧林巴斯顯微鏡LED光源原理

時(shí)間：2020-03-19作者：蘇州思凱得電子科技有限公司瀏覽：697

過去幾十年帶來了持續(xù)且快速發(fā)展的技術(shù)革命序列，特別是在數(shù)字領(lǐng)域，這較大地改變了我們?nèi)粘Ｉ畹脑S多方面。發(fā)光二極管（LED）制造商之間的發(fā)展競爭有望產(chǎn)生迄今為止較明顯和較深遠(yuǎn)的過渡。這些微型半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)和制造的較新進(jìn)展可能導(dǎo)致普通燈泡的過時(shí)，這可能是現(xiàn)代社會(huì)使用的較普遍的裝置。

白熾燈是托馬斯愛迪生的主要發(fā)明中較著名的，也是一一個(gè)堅(jiān)持使用（并且?guī)缀跻云湓夹问剑┲两?，現(xiàn)在已經(jīng)推出一個(gè)多世紀(jì)的白熾燈。在過去的幾十年里，留聲機(jī)，紙巾機(jī)和油印機(jī)已經(jīng)被數(shù)字技術(shù)取代，較近，全光譜發(fā)光二極管設(shè)備正在變得普及，并且可能迫使白熾燈和熒光燈熄滅。雖然LED技術(shù)的一些應(yīng)用可能與將一個(gè)燈泡替換為另一個(gè)燈泡一樣簡單，但較有遠(yuǎn)見的變化可能涉及利用光的戲劇性新機(jī)制。由于預(yù)測(cè)的演變，墻壁，天花板甚至整個(gè)建筑物都可能成為專業(yè)照明場景的目標(biāo)，室內(nèi)設(shè)計(jì)的變化可能是通過照明效果而不是通過重新粉刷或重新裝修來實(shí)現(xiàn)的。至少，從白熾燈到LED照明的廣泛變化將導(dǎo)致巨大的節(jié)能效果。

雖然發(fā)光二極管在我們周圍的視頻盒式錄像機(jī)，時(shí)鐘收音機(jī)和微波爐中運(yùn)行，但它們的使用主要限于電子設(shè)備上的顯示功能。計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備上的微小紅色和綠色指示燈非常熟悉，**個(gè)LED限于暗紅色輸出的事實(shí)可能沒有被廣泛認(rèn)可。實(shí)際上，即使是綠色發(fā)光二極管的可用性也代表了該技術(shù)的重要發(fā)展步驟。在過去15年左右的時(shí)間里，LED變得較加強(qiáng)大，并且有多種顏色可供選擇。在20世紀(jì)90年代早期制造**個(gè)藍(lán)色LED的突破，在紅色可見光譜的另一端發(fā)光，開辟了創(chuàng)造幾乎任何顏色的光的可能性。較重要的是，這一發(fā)現(xiàn)使得從微小的半導(dǎo)體器件產(chǎn)生白光在技術(shù)上是可行的。廉價(jià)的大眾市場白光LED是研究人員和制造商較熱門的目標(biāo)，也是較有可能結(jié)束**對(duì)低效白熾燈的依賴的設(shè)備。

用于普通照明的二極管器件的廣泛使用還需要幾年時(shí)間，但LED在許多應(yīng)用中開始取代白熾燈。用現(xiàn)代半導(dǎo)體替代品代替?zhèn)鹘y(tǒng)白熾光源有許多原因。發(fā)光二極管比白熾燈泡在將電能轉(zhuǎn)換為可見光方面效率較高，它們堅(jiān)固耐用且結(jié)構(gòu)緊湊，使用壽命通?？蛇_(dá)100,000小時(shí)，比白熾燈泡長約100倍。LED基本上是單色**器，并且需要高亮度單色燈的應(yīng)用在當(dāng)**代改進(jìn)的器件中經(jīng)歷了較多的應(yīng)用。對(duì)于汽車尾燈，轉(zhuǎn)向燈和側(cè)標(biāo)志燈，LED的使用正在增加。作為首批汽車應(yīng)用之一，汽車和卡車上的高位制動(dòng)燈是整合LED的一個(gè)特別吸引人的地方。長LED壽命允許制造商較自由地將制動(dòng)燈集成到車輛設(shè)計(jì)中，而*提供頻繁（和容易）更換，如使用白熾燈泡時(shí)所需。

現(xiàn)在，美國約有10％的紅色交通信號(hào)燈被LED燈取代。LED的較高初始成本可以在短短一年內(nèi)恢復(fù)，因?yàn)樗鼈冊(cè)诋a(chǎn)生紅光方面具有較高的效率，這是在不需要過濾的情況下完成的。紅色交通燈中的LED消耗大約10至25瓦特，而相似亮度的紅色濾光白熾燈消耗大約50至150瓦特。LED的壽命在減少昂貴的信號(hào)維護(hù)方面是一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。單色LED也被用作機(jī)場的跑道燈和無線電和電視傳輸塔的警示燈。

隨著制造效率和生產(chǎn)幾乎任何輸出顏色的發(fā)光二極管的能力的提高，研究人員和工業(yè)的主要焦點(diǎn)已成為白光二極管。正在采用兩種主要機(jī)制從基本上是單色的裝置產(chǎn)生白光，并且這兩種技術(shù)很可能繼續(xù)用于不同的應(yīng)用。一種方法涉及混合來自多個(gè)LED的不同顏色的光，或來自單個(gè)LED中的不同材料的光，其比例導(dǎo)致呈現(xiàn)白色的光。*二種技術(shù)依賴于使用LED**（通常是不可見的紫外線）來提供激發(fā)另一種物質(zhì)（例如磷光體）的能量，該另一種物質(zhì)又產(chǎn)生白光。




半導(dǎo)體二極管的基礎(chǔ)知識(shí)

在隨后的討論中提出了發(fā)光二極管功能的基本過程的細(xì)節(jié)，以及在其構(gòu)造中使用的材料。然而，可以通過簡單的概念描述來概括LED產(chǎn)生光的基本機(jī)制。熟悉的燈泡依靠溫度通過稱為白熾的過程發(fā)出可見光（以及以熱量形式顯著較不可見的輻射）。相反，發(fā)光二極管采用電致發(fā)光的形式，其由半導(dǎo)體材料的電子激發(fā)產(chǎn)生。基本的LED由的結(jié)在兩種不同的半導(dǎo)體材料之間（如圖2所示），其中施加的電壓產(chǎn)生電流，當(dāng)在結(jié)上注入的電荷載流子重新結(jié)合時(shí)伴隨著光的**。

LED的基本元件是半導(dǎo)體芯片（類似于集成電路），其安裝在由連接到兩根電線的引線框支撐的反射杯中，然后嵌入固體環(huán)氧樹脂透鏡中（見圖1）。包括芯片中的結(jié)的兩個(gè)半導(dǎo)體區(qū)域之一由負(fù)電荷（n型區(qū)域;圖2））支配，而另一個(gè)由正電荷（p型區(qū)域）支配。當(dāng)向電引線施加足夠的電壓時(shí)，電流流動(dòng)并且電子從n區(qū)域移動(dòng)到p區(qū)域帶負(fù)電的電子與正電荷結(jié)合的區(qū)域。每種電荷組合與能量水平降低相關(guān)聯(lián)，能量水平降低可以以光子的形式釋放一定量的電磁能量。**光子的頻率和感知顏色是半導(dǎo)體材料的特征，因此，通過改變芯片的半導(dǎo)體組成可以實(shí)現(xiàn)不同的顏色。

發(fā)光二極管的功能細(xì)節(jié)基于半導(dǎo)體材料（例如硅）的共同特性，其具有可變的傳導(dǎo)特性。為了使固體導(dǎo)電，其電阻必須足夠低，以使電子在整個(gè)材料中或多或少地自由移動(dòng)。半導(dǎo)體表現(xiàn)出介于導(dǎo)體和絕緣體之間的電阻值，并且它們的行為可以根據(jù)固體的能帶理論建模。在結(jié)晶固體中，組成原子的電子占據(jù)大量的能級(jí)，這些能級(jí)在能量或**數(shù)方面可能差別很小。廣泛的能量水平傾向于組合成幾乎連續(xù)的能帶，

隨著能量水平逐漸升高，從核向外進(jìn)行，可以定義兩個(gè)不同的能帶，稱為價(jià)帶和導(dǎo)帶（圖3）。價(jià)帶由比內(nèi)電子較高能級(jí)的電子組成，并且它們具有一些成對(duì)相互作用的自由度，以在固體原子之間形成一種局部鍵。在較高的能級(jí)下，導(dǎo)帶的電子表現(xiàn)得與單個(gè)原子中的電子或在基態(tài)以上激發(fā)的分子中的電子相似，在固體內(nèi)移動(dòng)的自由度很高。價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能量差異被定義為特定材料的帶隙。

在導(dǎo)體中，價(jià)帶和導(dǎo)帶在能量上部分重疊（見圖3），因此一部分價(jià)電子總是位于導(dǎo)帶中。對(duì)于這些材料，帶隙基本上為零，并且部分價(jià)電子自由地移動(dòng)到導(dǎo)帶中，在價(jià)帶中出現(xiàn)空位或空穴。電子以很少的能量輸入移動(dòng)到相鄰原子帶中的空穴中，并且空穴在相反方向上自由移動(dòng)。與這些材料相比，絕緣體具有完全占據(jù)的價(jià)帶和較大的帶隙，并且電子可以從原子移動(dòng)到原子的一機(jī)制是使價(jià)電子移位到導(dǎo)帶中，需要大的能量消耗。

半導(dǎo)體具有小但有限的帶隙，并且在常溫下，熱攪動(dòng)足以將一些電子移動(dòng)到導(dǎo)帶中，在那里它們可以促進(jìn)導(dǎo)電?？梢酝ㄟ^提高溫度來降低電阻，但是許多半導(dǎo)體器件以這樣的方式設(shè)計(jì)：電壓的施加在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間產(chǎn)生所需的電子分布變化以使電流流動(dòng)。盡管所有半導(dǎo)體的帶排列相似，但在特定溫度條件下帶隙（以及帶間電子分布）存在很大差異。

元素硅是較簡單的本征半導(dǎo)體，并且通常用作描述這些材料的行為的模型。在其純凈形式中，硅不具有足夠的電荷載流子或適當(dāng)?shù)膸督Y(jié)構(gòu)，可用于發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，但廣泛用于制造其他半導(dǎo)體器件。硅（和其他半導(dǎo)體）的傳導(dǎo)特性可以通過向晶體中引入少量雜質(zhì)來改善，其用于在結(jié)構(gòu)中提供額外的電子或空位（空穴）。通過這種被稱為摻雜的過程，集成電路的生產(chǎn)者已經(jīng)開發(fā)出相當(dāng)大的能力來定制半導(dǎo)體的特性以適應(yīng)特定的應(yīng)用。

通過考慮相對(duì)簡單的硅晶體結(jié)構(gòu)，較容易理解摻雜以改變半導(dǎo)體的電子特性的過程。硅是元素周期表中的*IV族成員，具有四個(gè)電子，可以參與與固體中的相鄰原子的鍵合。在純形式中，每個(gè)硅原子與四個(gè)鄰居共享電子，沒有**過晶體結(jié)構(gòu)所需的電子的缺陷或過量。如果少量的*III組將元素（在其較外層能級(jí)具有三個(gè)電子的元素）添加到硅結(jié)構(gòu)中，存在不足數(shù)量的電子以滿足鍵合要求。電子缺陷在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生空位或空穴，并且所得到的正電特性將材料分類為p型。硼是通常用于摻雜純硅以實(shí)現(xiàn)p型特性的元素之一。

摻雜以產(chǎn)生具有負(fù)的總電荷特性（n型）的相反類型的材料是通過添加諸如磷的V族元素來實(shí)現(xiàn)的，其在其較外層能級(jí)中具有“額外”電子。得到的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在共價(jià)硅鍵合所需的數(shù)量上具有過量的可用電子，這賦予了作為電子供體（n型材料的特征）的能力。

盡管硅和鍺通常用于半導(dǎo)體制造，但是這兩種材料都不適用于發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，因?yàn)椴捎眠@些元件的結(jié)產(chǎn)生大量的熱量，但僅產(chǎn)生少量的紅外或可見光**。光子**二極管pn結(jié)通?；贗II族和V族元素的混合物，例如砷化鎵，磷化鎵砷和磷化鎵。仔細(xì)控制這些化合物的相對(duì)比例，以及摻入鋁和銦的其他化合物，以及添加諸如碲和鎂的摻雜劑，使制造商和研究人員能夠生產(chǎn)發(fā)出紅色，橙色，黃色或綠色光的二極管。較近，使用碳化硅和氮化鎵已經(jīng)允許引入藍(lán)色發(fā)光二極管，并且以各種組合組合幾種顏色提供了產(chǎn)生白光的機(jī)制。包括器件結(jié)的p型和n型側(cè)面的材料的性質(zhì)，以及由此產(chǎn)生的能帶結(jié)構(gòu)，確定在結(jié)區(qū)域中的電荷重組期間可用的能級(jí)，并因此確定作為光子釋放的能**的大小。結(jié)果，由特定二極管**的光的顏色取決于pn結(jié)的結(jié)構(gòu)和組成。

操縱固態(tài)電子器件特性的基本關(guān)鍵是pn結(jié)的性質(zhì)。當(dāng)不同的摻雜材料彼此接觸時(shí)，結(jié)的區(qū)域中的電流流動(dòng)不同于單獨(dú)的兩種材料中的任一種。電流將很容易在一個(gè)方向**過結(jié)，而不是在另一個(gè)方向上，構(gòu)成基本二極管配置?？梢愿鶕?jù)兩種材料類型中的電子和空穴的移動(dòng)以及跨越結(jié)的這種行為來理解這種行為。n型材料中的額外自由電子傾向于從帶負(fù)電的區(qū)域移動(dòng)到帶正電的區(qū)域，或朝向p型材料。在具有空位電子位置（空穴）的p型區(qū)域中，晶格電子可以從一個(gè)孔跳到另一個(gè)孔，并將傾向于遠(yuǎn)離帶負(fù)電的區(qū)域。這種遷移的結(jié)果是孔看起來沿相反方向移動(dòng)，或者遠(yuǎn)離帶正電的區(qū)域并朝向帶負(fù)電的區(qū)域移動(dòng)（圖4）。來自n型區(qū)域的電子和來自p型區(qū)域的空穴在結(jié)的附近復(fù)合，形成a耗盡區(qū)（或?qū)樱?，其中不存在電荷載流子。在耗盡區(qū)中，建立靜電荷，其抑制任何額外的電子轉(zhuǎn)移，并且除非由外部偏置電壓輔助，否則沒有明顯的電荷可以流過結(jié)。

在二極管配置中，器件相對(duì)端上的電極使得能夠以能夠克服耗盡區(qū)的影響的方式施加電壓。將二極管的n型區(qū)域連接到電路的負(fù)側(cè)，將p型區(qū)域連接到正側(cè)，將使電子從n型材料向p型移動(dòng)，并使空穴移入相反的方向。通過施加足夠高的電壓，耗盡區(qū)中的電子能量升高以與空穴解離，并開始自由移動(dòng)。用這種電路極性操作，稱為正向偏置在pn結(jié)中，耗盡區(qū)消失，電荷可以在二極管上移動(dòng)?？讖膒型材料驅(qū)動(dòng)到結(jié)，并且電子從n型材料被驅(qū)動(dòng)到結(jié)。結(jié)處的空穴和電子的組合允許在二極管上保持連續(xù)電流。

如果電路極性相對(duì)于p型和n型區(qū)域反轉(zhuǎn)，則電子和空穴將被拉向相反的方向，伴隨著結(jié)的耗盡區(qū)域的擴(kuò)大。在反向偏置的 pn結(jié)中不會(huì)發(fā)生連續(xù)的電流流動(dòng)，盡管較初瞬態(tài)電流將隨著電子和空穴被拉離結(jié)而流動(dòng)。一旦增長的耗盡區(qū)產(chǎn)生等于施加電壓的電位，電流將停止。

發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)

在pn結(jié)處操縱電子和空穴之間的相互作用是所有半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，并且對(duì)于發(fā)光二極管，主要的設(shè)計(jì)目標(biāo)是有效地產(chǎn)生光?？缭絧n結(jié)注入載流子伴隨著從導(dǎo)帶到較低軌道的電子能級(jí)下降。該過程在任何二極管中進(jìn)行，但僅在具有特定材料成分的光子中產(chǎn)生可見光光子。在標(biāo)準(zhǔn)硅二極管中，能級(jí)差相對(duì)較小，并且僅發(fā)生低頻**，主要發(fā)生在光譜的紅外區(qū)域。紅外二極管在許多設(shè)備中都很有用，包括遙控器，但是可見光發(fā)光二極管的設(shè)計(jì)需要使用在價(jià)帶的導(dǎo)帶和軌道之間表現(xiàn)出較寬間隙的材料來制造。所有半導(dǎo)體二極管都釋放某種形式的光，但大部分能量被吸收到二極管材料本身，除非該器件專門設(shè)計(jì)用于從外部釋放光子。另外，為了用作光源，二極管必須將光**集中在特定方向上。半導(dǎo)體芯片的組成和結(jié)構(gòu)以及LED外殼的設(shè)計(jì)都有助于從器件**能量的性質(zhì)和效率。但是大部分能量都被吸收到二極管材料中，除非該器件專門設(shè)計(jì)用于從外部釋放光子。另外，為了用作光源，二極管必須將光**集中在特定方向上。半導(dǎo)體芯片的組成和結(jié)構(gòu)以及LED外殼的設(shè)計(jì)都有助于從器件**能量的性質(zhì)和效率。但是大部分能量都被吸收到二極管材料中，除非該器件專門設(shè)計(jì)用于從外部釋放光子。另外，為了用作光源，二極管必須將光**集中在特定方向上。半導(dǎo)體芯片的組成和結(jié)構(gòu)以及LED外殼的設(shè)計(jì)都有助于從器件**能量的性質(zhì)和效率。

發(fā)光二極管的基本結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體材料（通常稱為管芯），其上放置管芯的引線框架，以及圍繞組件的封裝環(huán)氧樹脂（參見圖1）。LED半導(dǎo)體芯片被支撐在反射器杯中，該反射器杯被壓印到一個(gè)電極（陰極）的端部中，并且在典型配置中，芯片的**面通過金鍵合線連接到*二電極（陽極）。）。幾種結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要兩根鍵合線，每根電極一根。除了不同LED的輻射波長的明顯變化之外，還存在形狀，尺寸和輻射圖案的變化。典型的LED半導(dǎo)體芯片尺寸約為0.25平方毫米，環(huán)氧樹脂體的直徑范圍為2至約10毫米。較常見的是，LED的主體是圓形的，但它們可以是矩形，正方形或三角形。

盡管從半導(dǎo)體管芯**的光的顏色由芯片材料的組合以及它們的組裝方式確定，但是LED的某些光學(xué)特性可以通過芯片封裝中的其他變量來控制。光束角度可以是窄的或?qū)挼模ㄒ妶D5），并且由反射杯的形狀，LED芯片的尺寸，芯片到環(huán)氧樹脂外殼或透鏡**部的距離以及幾何形狀決定。環(huán)氧樹脂鏡片。環(huán)氧樹脂鏡片的色調(diào)并不決定LED的發(fā)光顏色，但通常用作燈泡不活動(dòng)時(shí)方便指示燈的顏色。用于需要高強(qiáng)度且在關(guān)閉狀態(tài)下無顏色的應(yīng)用的LED具有透明透鏡，沒有色調(diào)或擴(kuò)散。這種類型產(chǎn)生較大的光輸出，并且可以設(shè)計(jì)成具有較窄的光束或視角。非漫射透鏡通常呈現(xiàn)正或負(fù)10至12度的視角（圖5）。它們的強(qiáng)度允許它們用于背光應(yīng)用，例如電子設(shè)備上的顯示面板的照明。

為了產(chǎn)生漫射LED透鏡，將微小玻璃顆粒嵌入封裝環(huán)氧樹脂中。通過包含玻璃產(chǎn)生的擴(kuò)散擴(kuò)散了二極管發(fā)出的光，在中心軸的兩側(cè)產(chǎn)生大約35度的視角。這種透鏡類型通常用于直接觀察LED的應(yīng)用中，例如用于設(shè)備面板上的指示燈。

LED構(gòu)造中的材料系統(tǒng)和制造技術(shù)的選擇由兩個(gè)主要目標(biāo)指導(dǎo) - 芯片材料中光產(chǎn)生的較大化以及所產(chǎn)生的光的有效提取。在正向偏置的pn結(jié)中，空穴從p區(qū)域注入到n區(qū)域的結(jié)中，并且電子從n區(qū)域注入p區(qū)域。通過該注入過程改變材料中的平衡電荷載流子分布，這被稱為少數(shù)載流子注入。用多數(shù)載流子重組少數(shù)載流子以重建熱平衡，并且持續(xù)的電流保持少數(shù)載流子注入。當(dāng)重組率等于注入速率時(shí)，建立穩(wěn)態(tài)載流子分布。少數(shù)載流子復(fù)合可以以輻射方式發(fā)生，伴隨著光子的**，但為此必須建立適當(dāng)?shù)臈l件以保持能量和動(dòng)量。滿足這些條件不是瞬時(shí)過程，并且在注入的少數(shù)載流子的輻射復(fù)合可以發(fā)生之前產(chǎn)生時(shí)間延遲。這種延遲，即少數(shù)載流子壽命，是LED材料設(shè)計(jì)中必須考慮的主要變量之一。

雖然輻射復(fù)合工藝在LED設(shè)計(jì)中是理想的，但它不是半導(dǎo)體中一可能的復(fù)合機(jī)制。如果沒有一些雜質(zhì)，結(jié)構(gòu)位錯(cuò)和其他晶體缺陷，則不能生產(chǎn)半導(dǎo)體材料，并且這些都可以捕獲注入的少數(shù)載流子。這種類型的重組可以產(chǎn)生或不產(chǎn)生光子。通過載體擴(kuò)散到合適的位置減慢了不產(chǎn)生輻射的重組，并且其特征在于非輻射過程壽命，其可以與輻射過程壽命相比較。

考慮到剛才描述的因素，LED設(shè)計(jì)中的一個(gè)明顯目標(biāo)是較大化電荷載流子相對(duì)于非輻射的輻射復(fù)合。這兩個(gè)過程的相對(duì)效率決定了與注入總數(shù)相比輻射組合的注入電荷載流子的比例，這可以表示為材料系統(tǒng)的內(nèi)部**效率。用于LED制造的材料的選擇依賴于對(duì)半導(dǎo)體帶結(jié)構(gòu)的理解以及可以選擇或操縱能級(jí)以產(chǎn)生有利的**效率值的手段。有趣的是，某些III-V族化合物的內(nèi)部**效率接近100％，而半導(dǎo)體中使用的其他化合物的內(nèi)部**效率可低至1％。

特定半導(dǎo)體的輻射壽命很大程度上決定了輻射復(fù)合是否在非輻射之前發(fā)生。大多數(shù)半導(dǎo)體具有相似的簡單價(jià)帶結(jié)構(gòu)，能量峰位于特定的晶體結(jié)構(gòu)方向附近，但導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)的變化較大。能帶谷存在于導(dǎo)帶中，并且占據(jù)較低能量谷的電子被定位成較容易參與價(jià)帶中的少數(shù)載流子的再結(jié)合。半導(dǎo)體可分為直接或間接取決于導(dǎo)帶能量谷的相對(duì)位置和價(jià)帶在能量/動(dòng)量空間中的能量**點(diǎn)。直接半導(dǎo)體具有在相同動(dòng)量坐標(biāo)處直接相鄰的空穴和電子，因此電子和空穴可以相對(duì)容易地重新組合，同時(shí)保持動(dòng)量守恒。在間接半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶能量谷和允許動(dòng)量守恒的空穴之間的匹配是不利的，大多數(shù)轉(zhuǎn)變是被禁止的，并且所產(chǎn)生的輻射壽命很長。

硅和鍺是間接半導(dǎo)體的例子，其中注入載流子的輻射復(fù)合較不可能。這種材料中的輻射壽命發(fā)生在幾秒的范圍內(nèi)，并且?guī)缀跛凶⑷氲妮d流子都通過晶體中的缺陷非輻射地結(jié)合。直接半導(dǎo)體，例如氮化鎵或砷化鎵，具有短的輻射壽命（約1至100納秒），并且可以以足夠低的缺陷密度生產(chǎn)材料，使得輻射過程與非輻射過程一樣可能。對(duì)于在間接間隙材料中發(fā)生的重組事件，電子必須在與空穴結(jié)合之前改變其動(dòng)量，導(dǎo)致出現(xiàn)帶 - 帶轉(zhuǎn)變的重組概率顯著降低。由兩種類型的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的LED所呈現(xiàn)的**效率清楚地反映了這一事實(shí)。與典型的碳化硅LED的0.02％相比，氮化鎵LED的**效率高達(dá)12％。圖6給出了直接帶隙GaN和間接帶隙SiC的能帶圖，說明了兩種材料的帶間能量躍遷的性質(zhì)。

在pn結(jié)上注入的載流子的輻射復(fù)合中**的光的波長（和顏色）由價(jià)帶和導(dǎo)帶的復(fù)合電子 - 空穴對(duì)之間的能量差確定。由于電子和空穴在這些水平上平衡的趨勢(shì)，載流子的近似能量對(duì)應(yīng)于價(jià)帶的上能級(jí)和導(dǎo)帶的較低能量。因此，**光子的波長（λ）近似為以下表達(dá)式：

λ= hc / Ebg

其中h代表普朗克常數(shù)，c代表光速，E（bg）是帶隙能量。為了改變**輻射的波長，必須改變用于制造LED的半導(dǎo)體材料的帶隙。砷化鎵是常見的二極管材料，并且可以用作示例，其說明可以改變半導(dǎo)體的帶結(jié)構(gòu)以改變器件的**波長的方式。砷化鎵的帶隙約為1.4電子伏特，并以900納米的波長**紅外線。為了增加**到可見紅色區(qū)域（約650納米）的頻率，帶隙必須增加到大約1.9電子伏特。這可以通過將砷化鎵與具有較大帶隙的相容材料混合來實(shí)現(xiàn)。磷化鎵，帶隙為2.3電子伏特，是這種混合物較有可能的候選者。用該化合物生產(chǎn)的LED通過調(diào)節(jié)砷對(duì)磷的含量，可以定制GaAsP（砷化鎵磷化物）以產(chǎn)生1.4至2.3電子伏特之間的任何值的帶隙。

如前所述，二極管半導(dǎo)體材料中光產(chǎn)生的較大化是LED制造中的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)。另一個(gè)要求是從芯片中有效地提取光。由于全內(nèi)反射，在半導(dǎo)體芯片內(nèi)各向同性地產(chǎn)生的光的一部分可以逃逸到外部。根據(jù)斯涅爾定律，只有當(dāng)光以小于臨界角的角度與兩種介質(zhì)之間的界面相交時(shí)，光才能從折射率較高的介質(zhì)傳播到折射率較低的介質(zhì)中對(duì)于這兩個(gè)媒體。在具有立方體形狀的典型發(fā)光半導(dǎo)體中，僅約1％至2％的所產(chǎn)生的光通過LED的**表面逸出（取決于特定的芯片和pn結(jié)幾何形狀），其余部分在半導(dǎo)體材料內(nèi)被吸收。

圖7示出了光從折射率為n（s）的分層半導(dǎo)體芯片逃逸到較低折射率（n（e））的環(huán)氧樹脂中。逃逸錐所對(duì)應(yīng)的角度由兩種材料的臨界角θ（c）定義。以小于θ（c）的角度從LED出射的光線以較小的反射損耗（虛線光線）逃逸到環(huán)氧樹脂中，而以大于θ（c）的角度傳播的那些光線在邊界處經(jīng)歷全內(nèi)反射，并且不要直接逃避芯片。由于環(huán)氧樹脂圓**的曲率，離開半導(dǎo)體材料的大多數(shù)光線以幾乎直角與環(huán)氧樹脂/空氣界面相遇，并且從殼體中出來而幾乎沒有反射損失。

從LED芯片**到周圍環(huán)境中的光的比例取決于可以通過其**光的表面的數(shù)量，以及在每個(gè)表面處如何有效地發(fā)生這種光。幾乎所有LED結(jié)構(gòu)都依賴于某種形式的分層布置，其中利用外延生長工藝將多個(gè)晶格匹配材料彼此堆疊以定制芯片的特性。采用各種各樣的結(jié)構(gòu)，每種材料系統(tǒng)需要不同的層結(jié)構(gòu)以優(yōu)化性能特性。

大多數(shù)LED結(jié)構(gòu)布置依賴于二次生長步驟以在單晶體生長襯底材料的**部沉積單晶層。這種多層化方法使設(shè)計(jì)者能夠滿足看似矛盾或不一致的要求。所有結(jié)構(gòu)類型的共同特征是發(fā)生光**的pn結(jié)幾乎從不位于體生長襯底晶體中。其中一個(gè)原因是體生長材料通常具有高缺陷密度，這降低了光產(chǎn)生效率。此外，較常見的體生長材料，包括砷化鎵，磷化鎵和磷化銦，對(duì)于所需的**波長沒有合適的帶隙。

外延晶體生長技術(shù)涉及將一種材料沉積在另一種材料上，其在原子晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)上緊密匹配，以減少層狀材料中的缺陷。許多技術(shù)用于制造外延層。這些包括液相外延（LPE），氣相外延（VPE），金屬**外延化學(xué)氣相沉積（MOCVD）和分子束外延（MBE）。每種生長技術(shù)在特定材料系統(tǒng)或生產(chǎn)環(huán)境中具有優(yōu)勢(shì)，并且這些因素在文獻(xiàn)中被廣泛討論。

這里沒有介紹LED制造中采用的各種外延結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，但是在許多出版物中進(jìn)行了討論。然而，通常，這種結(jié)構(gòu)的較常見類別是生長和擴(kuò)散的同質(zhì)結(jié)，以及單限制或雙限制異質(zhì)結(jié)。應(yīng)用各種層布置背后的策略很多。這些包括p和n的結(jié)構(gòu)區(qū)域和反射層，以提高系統(tǒng)的內(nèi)部**效率，漸變組合緩沖層，以克服層之間的晶格失配，局部改變能帶隙以實(shí)現(xiàn)載流子限制，以及載流子注入的橫向約束，以控制發(fā)光區(qū)域或準(zhǔn)直排放。

即使它通常不包含pn結(jié)區(qū)域，LED基板材料也成為該功能的組成部分，并且被選擇為適合于所需外延層的沉積，以及其透光性和其他性質(zhì)。如前所述，從LED芯片實(shí)際**的所產(chǎn)生的光的分?jǐn)?shù)是有效透射光的表面的數(shù)量的函數(shù)。大多數(shù)LED芯片被歸類為吸收襯底（AS）器件，其中襯底材料具有窄帶隙并且吸收具有大于帶隙的能量的所有**。因此，朝向側(cè)面或向下行進(jìn)的光被吸收，并且這種芯片只能通過它們的**面發(fā)光。

的透明基板（TS芯片被設(shè)計(jì)成通過結(jié)合對(duì)**光的波長透明的基板來增加光提取。在一些系統(tǒng)中，上外延層中的透明度將允許在一定角度內(nèi)朝向側(cè)表面?zhèn)鬏數(shù)墓庖脖惶崛　＿€利用具有介于AS和TS器件之間的襯底特性的混合設(shè)計(jì)，并且通過采用從LED芯片到空氣的折射率的分級(jí)變化可以實(shí)現(xiàn)提取效率的顯著提高。在LED結(jié)構(gòu)中仍然存在許多其他吸收機(jī)制，其減少**并且難以克服，例如芯片上的前接觸和后接觸，以及晶體缺陷。然而，芯片是透明的，而不是吸收，

開發(fā)多種LED顏色

20世紀(jì)60年代開發(fā)的**個(gè)商用發(fā)光二極管利用鎵，砷和磷的主要成分產(chǎn)生紅光（655納米波長）。另外一種紅色發(fā)光材料磷化鎵后來被用來制造**700納米光的二極管。盡管效率很高，但由于人眼在該光譜區(qū)域的相對(duì)不敏感性導(dǎo)致的低表觀亮度，后一版本的應(yīng)用受到限制。在整個(gè)20世紀(jì)70年代，技術(shù)發(fā)展使得能夠引入額外的二極管顏色，并且生產(chǎn)改進(jìn)提高了設(shè)備的質(zhì)量控制和可靠性。

元素比例，摻雜和襯底材料的變化導(dǎo)致產(chǎn)生橙色和黃色**的砷化鎵 - 磷（GaAsP）二極管的發(fā)展，以及較高效的紅色**體。還開發(fā)了基于GaP芯片的綠色二極管。引入和改進(jìn)鎵 - 鋁 - 砷化物（GaAlAs在20世紀(jì)80年代，導(dǎo)致發(fā)光二極管應(yīng)用數(shù)量的快速增長，這主要是由于與先前器件相比亮度有一個(gè)數(shù)量級(jí)的改善。通過在芯片制造中使用多層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了性能的提高，盡管這些GaAlAs二極管**于紅色（660納米）**，但它們開始用于戶外標(biāo)志，條形碼掃描儀，醫(yī)療設(shè)備，以及光纖數(shù)據(jù)傳輸。


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