失效分析赵工半导体工程师 2024年07月15日 08:58 北京

一、LED简史

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(NickHolonyakJr.)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。

二、LED芯片原理

LED(Light Emitting Diode)，发光二极管，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。

LED芯片发光原理

led芯片内部结构图

三、LED芯片的分类

1、MB芯片定义与特点

定义：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：46W/m-K;GaP：77W/m-K;Si：125～150W/m-K;Cupper:300~400W/m-k;SiC：490W/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。

2、GB芯片定义和特点

定义：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单电极芯片。

3、TS芯片定义和特点

定义：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。

4、AS芯片定义与特点

定义：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。

四、LED芯片材料磊晶种类

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

五、LED芯片组成及发光

LED晶片的组成：主要有砷(AS)铝(AL)镓(Ga)铟(IN)磷(P)氮(N)锶(Si)这几种元素中的若干种组成。

LED晶片的分类：

1、按发光亮度分：

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、不可见光(红外线)：R、SIR、VIR、HIR

E、红外线接收管：PT

F、光电管：PD

2、按组成元素分：

A、二元晶片(磷、镓)：H、G等

B、三元晶片(磷、镓、砷)：SR、HR、UR等

C、四元晶片(磷、铝、镓、铟)：SRF、HRF、URF、VY、HY、UY、UYS、UE、HE、UG

来源：电子工程专辑

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