半导体照明技术作业答案

  2. 液相外延生长的原理是什么？大体上分为哪两种方法，这两种方法的区别在哪 里？ 答：液相外延生长过程的基础是在液体溶剂中溶质的溶解度随温度降低而减少， 而且冷却与单晶相接触的初始饱和溶液时能够引起外延沉积， 在衬底上生长一个 薄的外延层。 液相外延生长大体上分为降温法和温度梯度法两种。降温法的瞬态生长中，溶 液与衬底组成的体系在均处于同一温度，并一同降温（在衬底与溶液接触时的时 间和温度上，以及接触后是继续降温还是保持温度上，不同的技术有不同的处 理） 。而温度梯度法则是当体系达到稳定状态后，整个体系的温度再不改变，而 是在溶液表面和溶液－衬底界面间建立稳定的温度梯度和浓度梯度。

  4. 画出器件失效率随时间变化的曲线，说明曲线的各个阶段及其失效原因。 答：曲线如图所示。

  曲线可大致分为三个阶段： 第一个阶段称为早期失效或老化阶段，失效率较高，随上班时间的延长而迅 速下降。造成早期失效的原因大多属生产型缺陷，由产品本身存在的缺陷所致。 第二个阶段为有效寿命阶段，又称随机失效阶段，失效率很低且很稳定，近 似为常数，器件失效往往带有偶然性。 第三个阶段称耗损失效阶段，失效率明显上升，大部分器件相继出现失效， 耗损失效都由于老化、磨损和疲劳等原因使器件性能恶化所致。

  2. 对三基色体系的白光 LED，列出基色光源的三个最佳峰值波长。对荧光转换 的白光 LED 和多芯片的白光 LED，这三基色分别采取了什么方法来实现？ 答： 三基色体系的白光 LED， 基色光源的三个最佳峰值波长分别为 450nm、 540nm 和 610nm。对荧光转换的白光 LED，是用部分被吸收的 AlInGaN 芯片的蓝光和 适当的绿光和橙红光两种荧光粉来实现。对多芯片白光 LED ，是用峰值波长 600nm 附近的 AlGaInP 基 LED， 以及峰值波长 450nm 和 540nm 的 AlInGaN LED 组成。

  3. 简要说明 LED Βιβλιοθήκη Baidu装技术发展三个阶段的时间范围、 典型 LED 及其驱动电流、 器件应用领域。

  答：LED 封装技术发展的 3 个阶段分别为： （1）1962~1989 年期间，典型的 LED 为 ø3 和 ø5 的 LED，驱动电流一般小 于等于 20mA，主要用做信号指示和显示。 （2）1990~1999 年，发展了大光通量 LED 食人鱼和 Snap ，驱动电流在 50~150mA，大多数都用在大型信号指示，如汽车信号灯、景观照明。 （3）2000 年至今，研发和生产了功率型 LED，电流≥350mA，开始用于照 明，并开始了更大光通量输出的组件的研制和生产。

  1. GaP 绿色 LED 的发光机理是什么，当氮掺杂浓度增加时，光谱有什么变化， 为什么？GaP 红色 LED 的发光机理是什么，发光峰值波长是多少？ 答：GaP 绿色 LED 的发光机理是在 GaP 间接跃迁型半导体中掺入等电子陷阱杂 质 N，代替 P 原子的 N 原子可以俘获电子，又靠该电子的电荷俘获空穴，形成 束缚激子，激子复合发光。当氮掺杂浓度增加时，总光通量增加，主波长向长波 移动，是因为此时有大量的氮对形成新的等电子陷阱，氮对束缚激子发光峰增 加，且向长波移动。 GaP 红色 LED 的发光机理是在 GaP 晶体中掺入 ZnO 对等电子陷阱， 其发光 峰值波长为 700nm 的红光。

  1. 发光的 PN 结通常是将锌热扩散到 N 型外延材料中形成的。简要说明借助光 刻将锌平面扩散到外延层中的工艺过程。 答：如下图所示。先在外延层上淀积氧化物或氮化物薄膜，然后再涂上光刻胶， 进行光刻显影，从而暴露选择扩散的区域。后烘之后将暴露区的氧化物或氮化物 腐蚀掉，然后把光刻胶去除，在暴露区把锌扩散进晶片，最后把剩余的氧化物或 氮化物再腐蚀掉。

  3. 为何 AlGaInP 材料不可以使用通常的气相外延和液相外延技术来制造？ 答： 在尝试用液相外延生长 AlGaInP 时， 由于 AlP 和 InP 的热力学稳定性的不同， 液相外延的组分控制十分困难。而当使用氢化物或氯化物气相外延时，会形成稳 定的 AlCl 化合物，会在气相外延时阻碍含 Al 磷化物的成功生长。因此 AlGaInP 材料不可以使用通常的气相外延和液相外延技术来制造。

  2. 画出透明衬底的 AlGaInP LED 的结构示意图，简要说明其芯片制造流程。 答：结构示意图如下图所示。

  此 LED 结构用的是 MOCVD 生长在 GaAs 上的双异质结 (AlxGa1-x)0.5In0.5P， 并在结构上方 VPE 生长一个小于 50μm 厚的 GaP 窗层。在外延生长后，用通常 的非物理性腐蚀技术移除 GaAs 吸收衬底，使双异质结结构的 N 型层暴露，再通过升 高温度和加压，将晶片黏结到 200~250μm 厚的 N 型 GaP 衬底上。

  1. 画出典型的具有 GaP 窗层和吸收衬底的双异质结 AlGaInP LED 的结构示意 图，简述为什么需要用电流扩展窗层。 答：结构示意图如下图所示。

  为了使 LED 芯片获得高效的发光，电流扩展是主要关键之一，如上图的结 构， 器件的上方覆盖了圆形的金属顶， 电流从芯片的顶部接触通过 P 型层流下到 达结区，在结区发光。但是假如 P 型层的电阻太高，电流将扩展很少，而仅仅限 在金属之下，光仅仅发生在电极之下，而且被芯片内部吸收。有效的最好性能的 AlGaInP LED 是在通常的双异质结顶部再生长一个厚的 P 型窗层，而不用 AlGaInP 材料。这个电流扩展窗层与 AlGaInP 相比，具有高的薄层电导率，而且 对发射光是透明的，能够达到很好的电流扩展效果。