《LED芯片结构》课件：探索发光二极管的核心技术

《芯片结构》课件探索LED发光二极管的核心技术半导体照明革命性发展市场规模达亿美元834比传统照明节能80%课程概述基础原理与历史发展演变LED芯片结构与设计多种结构类型制造工艺与材料核心技术解析性能参数与应用发展趋势展望第一部分基础原理及发LED展历史半导体发光原理技术演变历程电子空穴复合释放能量从红光到全光谱覆盖-关键技术突破蓝光革命性进展LED半导体发光原理结复合机制能带理论直接与间接带隙波长关系PN电子与空穴相遇产生光子电子跃迁释放特定能量光子直接带隙发光效率高能隙决定发光颜色E=hc/λ发展历程LED年1962首个红光诞生LED年1993高亮蓝光突破LED年2014蓝光获诺贝尔奖LED年2023效率达350lm/W技术演变LED光谱覆盖从单色到全光谱尺寸微型化从缩小到1000μm50μm效率提升从提高到

0.1350lm/W寿命延长从到小时5,000100,000第二部分芯片基本结构LED结基本构造PN发光核心单元外延层设计决定光电转换效率电极与基板提供电流通路与支撑量子阱结构提高发光效率芯片基本构造LED保护层防止环境损伤电极层提供电流输入路径有源区载流子复合发光区域外延层实现发光功能的核心基板层提供生长平台传统同质结构与现代异质结结构同质结特点异质结优势双异质结构相同材料结不同材料界面双侧载流子限制PN早期应用载流子限制效应进一步提高量子效率LED效率低效率提高效率提升达20-30%40%量子阱结构基础量子限域效应单多量子阱/纳米尺度下电子行为改变不同结构设计满足需求效率提升阱厚度调控局域化提高发光精确控制影响发光效率35-60%电极设计LED电极类型材料选择设计考量型电极透光性与导电性平衡P Ni/Au,Cr/Au型电极低接触电阻N Ti/Al/Ti/Au电流扩展层均匀分布电流ITO,TCO欧姆接触合金化处理降低界面势垒第三部分芯片材料科学LED衬底材料族半导体掺杂技术III-V提供外延生长基础核心发光材料体系调控电导特性缺陷控制提高材料质量衬底材料类型及特性蓝宝石₂₃Al O应用广泛，晶格匹配性差碳化硅SiC导热性好，成本高硅Si成本低，适用低功率LED氮化镓GaN同质衬底，缺陷少族半导体材料III-VGaN/InGaN AlGaInPGaAs/AlGaAs蓝光、绿光核心红光至黄光核心红外应用LED LEDLED直接带隙半导体高亮度特性良好晶格匹配带隙范围带隙范围带隙范围

1.9-

3.4eV

1.9-

2.2eV

1.4-

1.7eV掺杂技术与电导调控分布优化掺杂浓度优化减少非辐射复合型掺杂P影响载流子迁移率型掺杂提高器件性能N在中难激活Mg GaN典型浓度:10¹⁷-10¹⁹/cm³、常用元素Si Ge需特殊处理工艺提供自由电子材料缺陷控制技术位错影响应力管理降低发光效率控制生长过程应力增加漏电流减少裂纹形成表面钝化缺陷密度降低保护芯片表面从降至10⁹10⁶/cm²提高稳定性提高器件寿命第四部分主要芯片结构类型LED台面式结构倒装芯片结构垂直结构薄膜倒装芯片经典设计，成本低散热性能优越大电流应用首选光提取效率高台面式结构LED结构特点光学特性性能特点经典结设计正面出光导热性能一般•PN••正面电极布局背面反射增效电流拥挤效应明显•••横向电流流动电极遮光区损失制造工艺简单•••倒装芯片结构电极布局电极位于芯片底部减少上表面遮光更短电流路径出光方式透过基板出光需透明或剥离基板减少光吸收损失热管理优势直接导热通道散热效率提高30-40%适合高功率应用电流分布均匀度提升减少热点形成提高可靠性垂直结构LED结构设计垂直电流流动路径基板转移激光剥离或化学剥离电流分布垂直流动提高均匀性应用优势支持大电流工作薄膜倒装芯片25-35%光提取效率提升比传统结构显著提高5μm芯片厚度超薄设计减少吸收40%散热性能提升支持更高功率密度20-30%生产成本增加工艺复杂度提高微型结构特点LED尺寸定义2结构特点直径小于高密度阵列排布100μm电极设计显示应用微小尺寸下特殊布局像素密度达10000PPI第五部分量子阱结构设计工作原理量子限域提高复合率结构类型单阱与多阱各有优势参数优化厚度与组分精确控制应变调控改善能带结构特性量子阱工作原理深入解析量子限域效应能带工程效率提升机制波函数重叠纳米尺度下的物理现象精确调控能带结构载流子空间限制电子空穴波函数交叠电子行为受限空间影响形成势阱限制载流子增强复合概率增强光子发射几率能级离散化调整有效能隙提高辐射复合比例决定发光效率单量子阱多量子阱vs单量子阱多量子阱效率对比最优设计SQW MQW简单结构多层阱结构低电流更优应用场景决定选择SQW均匀载流子分布提高总吸收截面高电流更佳典型使用个量子阱MQW3-5适合低电流应用适合高电流密度减轻效率下降考虑载流子输运效率量子阱厚度与组分优化应变量子阱技术应变调控机制压应变与拉应变性能提升应变控制晶格不匹配产生应变不同效应对比调节有效质量临界厚度限制改变能带结构压应变降低带隙分离重空穴带与轻空穴带超过易产生位错影响载流子行为拉应变提高带隙提高复合概率精确控制组分第六部分芯片制造工艺LED外延生长光刻图形化1工艺沉积功能层定义芯片结构与电极MOCVD切割封装电极形成分离与保护单个芯片金属化工艺制备接触外延生长技术工艺MOCVD金属有机化合物气相沉积技术MBE分子束外延高精度生长关键参数温度、压力、比例V/III原位监测实时反射率监控生长质量缓冲层技术目的阶梯组分超晶格结构性能提升减少晶格失配应力逐步过渡降低应变周期薄层阻挡位错传播位错密度降低倍1000光刻与图形化工艺光刻技术紫外曝光转移图形分辨率达亚微米级刻蚀工艺干法等离子体刻蚀ICP湿法化学溶液选择性刻蚀电极图形优化电流分布设计减少电流拥挤效应图形衬底周期性微结构增强出光提升效率25-40%电极制备与金属化电极类型材料选择制备工艺电气特性型电极蒸镀合金化接触电阻P Ni/Au,Cr/Au+⁻10⁴Ω·cm²型电极多层蒸镀接触电阻N Ti/Al/Ti/Au⁻10⁵Ω·cm²欧姆接触合金层间化合快速热退火线性特性IV物RTA切割与封装前处理激光切割精确度高热影响区小适合硬脆材料机械切割成本低处理速度快刀片磨损需更换表面钝化减少表面态提高稳定性延长使用寿命清洗工艺去除粉尘颗粒提高封装成功率通常用超声清洗第七部分芯片性能参数与测试LED光学性能测量光功率测量光谱分析配光曲线量子效率积分球系统获取总光通光谱仪测量波长分布测光计测量空间光强分测定内外量子效率值量布电学参数测试热管理性能评估1结温测量正向电压温度系数法热阻测试瞬态热响应分析法红外热成像可视化热分布情况热循环测试°至°循环-40C125C可靠性测试方法高温工作寿命温湿度循环光衰减分析加速老化测试测试°条件标准测试高电流高温条件HTOL85C/85%RH LM-80°长期运行检测封装可靠性寿命预测阿伦尼乌斯模型85C L70/L50监测光衰减率测试防潮性能建立数学模型预测使用寿命第八部分特殊芯片结构LED65%光子晶体结构大幅提高光提取效率30%表面粗化技术减少全反射损失45%纳米图形化衬底增强光散射提高效率20nm量子点增强结构窄化发光谱宽提高色纯度光子晶体结构工作原理结构设计效率提升制造挑战周期性介电常数变化周期亚波长尺度提取被困光子纳米刻蚀精度要求高形成光子带隙排列三角形或方形减少波导模式损失大面积制备困难调控光子传播方向深度增加垂直出光比例成本与产率平衡200-500nm表面粗化技术化学腐蚀法干法刻蚀溶液选择性腐蚀等离子体刻蚀KOH ICP/RIE参数优化效率提升粗糙度控制在亚微米级光提取增加15-30%纳米图形化衬底纳米图形设计锥形或半球形阵列结构尺寸微米1-3技术PSS图形化蓝宝石衬底改善外延质量GaN增强机理位错密度降低散射界面增多工艺挑战纳米级图形制备保持高均匀性量子点增强结构LED量子点材料集成结构纳米尺度半导体颗粒量子点层替代荧光粉尺寸决定发光波长直接生长在芯片上典型材料或封装在胶体中CdSe/ZnS波长调控色纯度提升通过尺寸精确控制从降至FWHM30nm20nm量子限域效应色域覆盖提高可覆盖全可见光谱显示应用优势明显第九部分芯片应用与市场LED照明应用显示应用汽车照明通信与传感高效节能照明高对比度显示安全性与设计解决方案技术创新可见光通信与生物检测照明应用芯片要求成本与性能平衡市场竞争力关键热管理设计2大功率散热关键色温与显色性高品质光源Ra90高光效能效要求200lm/W显示应用芯片特点高像素密度Mini/Micro-LED尺寸100μm2000PPI高密度排列超高清显示一致性控制发光方式色彩均匀度直接发光RGB亮度一致性或荧光粉转换汽车与特种照明应用性能要求参数指标解决方案可靠性标准特殊封装与筛选AEC-Q102温度适应性°至°热应力优化设计-40C125C环境防护以上防水防尘封装IP67抗震动能力特殊结构支撑MIL-STD通信与传感应用可见光通信调制要求生物医学传感传感器集成技术高响应速度荧光检测多功能一体化Li-Fi高速调制低寄生电容血氧监测微型化设计1Gbps安全无辐射带宽优化设计皮肤病治疗功耗优化第十部分芯片未来发展趋势LED新材料探索氮化铝镓铟全组分调控结构创新纳米级光子学结构设计制造工艺原子层沉积精确控制应用拓展柔性透明光电子器件总结与展望结构设计关键点材料结构性能--量子阱优化是核心三者紧密关联相互影响未来挑战社会价值高效绿光研发是关键节能减排推动绿色发展LED。