會計學1白光LEDs和半導體物理學大功率LEDs與傳統照明器件（白熾燈）的區別：●白熾燈發光存在一個功率閾值-約為0.4W,功率大于閾值時,白熾燈發光效率隨著功率的增加很快,而且發光效率增加的幅度也隨著功率增加而增加。（黑體輻射規律）溫度升高，波長向可見光移動?！癞敶蠊β拾坠釲ED功率大于0.11W時,發光效率隨功率增加開始緩慢減小,隨著功率繼續增加,發光效率降低的速度也越來越快,在功率為1W時,白光LED的發光效率為131lm/W。這種現象是在半導體照明中遇到的最大障礙之一,即發光效率與功率不能同時達到最大。第1頁/共54頁大功率白光LEDs發光規律：此圖為大功率白光LEDs功率與發光效率的關系,從圖可以看出，發光效率并不是功率的單調減函數，當功率在0-0.11w的范圍內，發光效率隨著功率迅速增加，在0.11w時達到最大，此時的發光效率為156lm/w。(功率較小時,芯片本身發光效率較高,但強度弱,熒光粉層可能吸收一定光),隨著功率增加,發光效率降低,但強度增加,熒光粉激發幾率增加,當功率為1w時，發光效率為131lm/w,這種現象就是半導體照明中遇到的最大障礙,發光效率與功率不能同時達到最大。第2頁/共54頁熒光燈發光規律：此圖為熒光燈發光效率隨功率的變化規律,對額定功率為1w的熒光燈研究,發現其存在一個功率閾值,這個閾值為0.4w,小于它不發光,高于時發光效率隨功率增加。第3頁/共54頁ηext=ηout*ηin-------ηext=10%ηout

為外量子效率；ηin為內量子效率ηout:尋找合適的封裝技術如:Flipchipmethod

η

in:提高芯片質量-改善其發光效率

decreasingthedislocationdensityintroducingconfinementstructureincreasingtheP-typedopingefficiency

提高大功率LEDs的方法與技術：第4頁/共54頁1、提高內量子效率的方法1、尋找合適的襯底材料，與GaN及其合金小的熱失配和晶格失配襯底材料，目前SiC,LiAlO2等具有很大的發展潛力。2、提高制備薄膜和器件的工藝技術，減少薄膜或器件的刃位錯和堆積位錯密度。3、尋找最佳的熒光粉材料（性能穩定、發光效率和質量高），并提高目前熒光粉質量。4、改善器件的制備工藝，量子阱數量和寬度等。5、提高p型摻雜的程度第5頁/共54頁一條有效的途徑：生長無極性GaN薄膜或器件優勢：第一點：無極性GaN及合金顯著的減弱輻射波長的紅移趨勢，與極性量子阱比較而言，這種波長偏移減弱了十倍或以上的現象預示了在非極性量子阱中不存在極化誘導電荷。第二點：可以有效的提高p型摻雜濃度，目前報道的電子激活程度的最好結果僅僅是在1-2×1018cm-3之間，加州大學圣芭芭拉分校的研究者們發現對于m面的GaN，產生電子激活的鎂摻雜濃度能達到7×1018cm-3,這些比較高的p型摻雜能級能夠降低接觸電阻，減弱p-n結的啟動電壓和串聯阻抗，產生出高光學輸出效率的LEDs和LDs。第三點：無極性LEDs和LDs可產生同行偏振光輻射，可直接被用作背光LCD顯示和放映，因為偏振光源能夠去除偏振濾波器并使屏幕更薄，更亮，更節能。上述研究小組從m面GaN基LEDs產生的偏振光輻射其偏振度為0.17度（無規則方向和全偏振光的偏振度分別為0.0和1.0），當更多的工作只剩下提高偏振度時，最初的工作顯示了m面GaN器件能夠瞄準這一極性GaN不能企及的獨一無二的領域。第6頁/共54頁2、提高外量子效率的方法主要涉及：封裝技術主要介紹兩種目前流行的技術：第一：倒裝芯片和低熱阻封裝第二：TIP結構、表面粗化結構和芯片黏貼技術第7頁/共54頁第一：倒裝芯片和低熱阻封裝技術

傳統的藍寶石襯底GaN芯片結構,電極剛好位于芯片的出光面,在這種結構中,小部分p-GaN層和“發光層”被刻蝕,以便與下面的n-GaN層形成電接觸,光從最上面的p-GaN取出,所以要求在p-GaN層表面在沉淀一層電流擴散金屬層,但卻會吸收部分光,從而降低了芯片的出光效率;同時此封裝結構的熱量是通過藍寶石襯底導出去,導熱路徑長,由于藍寶石的導熱系數比金屬低,所以這種結構,出光效率和熱性能都不可能是最優的。為了克服上述缺點---開發了倒裝芯片結構第8頁/共54頁倒裝芯片和低熱阻結構示意圖

此結構中,光從藍寶石襯底取出,不必從電流擴散層取出,這樣不透光的擴散層可以加厚,增加了Flipchip的電流密度,同時這種結構中,pn結的熱量可直接通過金屬禿點導給熱導系數高的硅襯底,散熱效果好;而且在pn結與p電極之間增加了一個反光層,又消除了電極和引線的擋光;因此這種結構具有電、光、熱等方面的最優的特性。第9頁/共54頁基于Flipchip的大功率LEDs熱分析表征系統熱性能的一個重要參數是系統的熱阻。其定義為：在熱平衡的條件下,兩規定點(或區域)溫度差與產生這兩點溫度差的熱耗散功率之比。(單位：K/w)倒裝型大功率LED表面一般貼裝金屬線路板或者再安裝金屬熱沉,增加散熱效果。其內部結構如下圖：第10頁/共54頁大功率LEDs芯片電極：其電極上焊接的數個Bump(金球)與Si襯底上對應的Bump通過共晶焊接在一起,Si襯底通過粘結材料與器件內部熱沉粘結在一起,為了增加取光效果,熱沉上制作有一個聚光杯,芯片安裝在杯的中央,熱沉選用高導熱系數的金屬材料(Cu,Al等),穩態時LEDs熱阻的等效連接如下圖：第11頁/共54頁系統熱阻：第12頁/共54頁襯底粘結材料對大功率LEDs熱特性的影響LED倒裝芯片被粘結在管座里,可以通過三種形式：導熱膠粘貼、導熱型銀漿粘貼和錫漿粘貼(其中錫漿粘貼的熱導特性是三種方式中最優的)。生產中往往容易忽略襯底粘結材料對熱導特性的影響,其實襯底粘結材料是影響器件熱導特性因素中一個重要因素。設倒裝芯片襯底的橫截面積為A(m2),粘結材料的熱導系數為λ（W/m·K）,粘結材料的高度為h(m),則粘結材料的熱阻為：第13頁/共54頁下面分析臺灣國聯光電公司的Flipchip,芯片submount是邊長為55mil的正方形,即A為1.96×10-6m2,分析熱導系數為λ對粘貼材料熱阻的影響,當當h=20μm時，則第14頁/共54頁這三種情況的熱阻與熱導系數的關系曲線：當選用鉛錫焊料63Sn/37Pb，λ=39W/m·K，同時其厚度等于20μm時，RθAttach等于0.026（K/W），即使其厚度為100μm，RΘAttach也只等于0.131（K/W）；當選用熱沉粘接膠Ablefilm5020K，λ=0.7W/m·K，同時其厚度等于20μm時，RΘAttach等于1.457（K/W），當其厚度為100μm時，RΘAttach等于7.286（K/W）；當選用導電型芯片粘接膠Ablebond84-1LMISR4，λ=2.5W/m·K，同時其厚度等于20μm時，RΘAttach等于0.408（K/W），當其厚度為100μm時，RΘAttach等于2.041（K/W）。

第15頁/共54頁小結：LED芯片結溫最高允許125℃，如果其最差工作環境溫度為65℃，則對一個1W的大功率LED來說，考慮到從大功率器件外部熱沉的熱阻一般為40K/W，器件pn結至器件的熱阻應小于20（K/W）。而對一個5W的大功率LED來說，如果其最差工作環境溫度為65℃，則從pn結至環境的熱阻要小于12K/W才能保證芯片結溫不超過125℃，而如果選用Ablefilm5020K熱沉粘接膠，λ=0.7W/m·K同時其厚度為100μm，僅芯片粘貼材料的熱阻RΘAttach就等于7.286（K/W）。因此，在Flipchip大功率LED器件的封裝中，選用合適的芯片襯底粘貼材料并在批量生產工藝中保證粘貼厚度盡量小，對保證器件的可靠性和出光特性是十分重要的。第16頁/共54頁第二：TIP結構、表面粗化結構和芯片黏貼技術等

改變LEDs形狀是一個有效提升發光效率的方法即TIP(Truncated-Inverted-Pyramid)型晶粒結構,4個截面將不再互相平行,光很有效地被引出來,外部量子效率則大幅提升。由于硬度極高的藍寶石基板和SiC基GaN難以加工成特定的規則形狀,所以此項技術尚無進一步的發展;第17頁/共54頁表面粗化(sufaceroughness)技術此方法是將組件的內部及外部的幾何形狀粗化,破壞光線在組件內部的全反射,提升組件的出光效率。其粗化方法基本上是在組件的幾何形狀上形成規則的凹凸形狀，而這種規則分布的結構也依所在位置的不同分為兩種形式，一種是在組件內設置凹凸形狀，另一種方式是在組件上方制作規則的凹凸形狀，并在組件背面設置反射層。由于使用傳統制程即可在GaN系化合物半導體層的界面設置凹凸形狀，因此上述第一種方式具有較高的實用性。目前若使用波長為405nm的紫外組件，可獲得43%外部量子效率，取出效率為60%，為目前全球最高的外部量子效率與取出效率。第18頁/共54頁芯片黏貼技術(waferbonding)此法采用透明基板粘貼技術,主要是將發光二極管晶粒先在高溫環境下施加壓力,并將透明的GaP基板粘貼上去,之后再將GaAs除去,如此便可提高二倍的光線取出率。第19頁/共54頁總結：1、主要系統學習了影響大功率發光二極管發光效率的因素；2、對白光發光二極管和熒光燈的發光機理進行了分析3、詳細分析了白光發光二極管的內量子效率和外量子效率的影響因素。第20頁/共54頁半導體物理學第21頁/共54頁第一章：半導體中的電子狀態目的：半導體具有許多獨特的物理性質，這與半導體中電子的狀態及其運動特點有密切的關系。研究方法：半導體單晶或其他固態材料，都是由大量原子周期性重復排列而成，而每個原子又包含原子核和許多電子，如果能寫出所有相互作用著的原子核和電子系統的薛定諤方程，并求解，便可以了解其性質。出現問題：這是一個非常復雜的多體問題，不可能求出其嚴格解，只能用近似的處理方法。采用的方法：單電子近似－－－研究固態晶體中的電子能態。定義：假設每個電子是在周期性排列且固定不動的原子核勢場及其他電子的平均勢場中運動。用單電子近似法研究晶體中電子狀態的理論稱為能帶論。第22頁/共54頁1.1、原子的能級和晶體的能帶

晶體中電子作共有化運動，當兩個原子靠近時，原子中的電子除了受到本身原子勢場作用外，還要受到另外一個原子勢場的作用，其結果是每個二度簡并的能級都分裂為兩個彼此相距很近的能級?，F在考慮由N個原子組成的晶體，當N個原子相互靠近結合成晶體后，每個電子都要受到周圍原子勢場的作用，其結果是每一個N度簡并的能級都分裂成N個彼此相距很近的能級，這N個能級組成一個能帶。這是電子不再屬于某一個原子而是在晶體中作共有化的運動。分裂的每一個能帶都成為允帶，允帶之間因沒有能級稱為禁帶。內殼層電子處于低能級，共有化運動很弱，能級分裂很小，能帶窄，而外殼層處于高能級，能級分裂厲害，能帶很寬。第23頁/共54頁1.2、半導體中電子的狀態和能帶電子在周期性勢場中運動的基本特點和自由電子的運動十分相似。晶體中的電子在周期性勢場中運動的波函數與自由電子的波函數形式相似。其波函數為：布拉赫定理第24頁/共54頁根據波函數的意義，在空間某一點找到電子的概率與波函數的強度（即）成比例。對于晶體中的電子，但是與晶格同周期的函數，在晶體中波函數的強度也隨晶格周期性變化，所以在晶體中各點找到該電子的概率也具有周期性變化性質。這反映了電子不再完全局限在某一個原子上，而是可以從晶胞中某一點自由地運動到其它晶胞內的對應點，因而電子可以在整個晶體中運動，這種運動稱為電子在晶體內的共有化運動。組成晶體的原子的外層電子共有化運動較強，其行為與自由電子相似。而內層電子的共有化運動較弱，其行為與孤立原子中的電子相似。第25頁/共54頁三維晶格的布里淵區描述：首先做出晶體的倒格子，任選一倒格子點為原點，由原點到最近及次近的倒格點引倒格矢；然后作倒格矢的垂直平分面，此面就是布里淵區的邊界，在這些邊界上能量發生不連續，面所圍成的最小多面體就是第一布里淵區。第26頁/共54頁1.3半導體中的電子的運動有效質量有效質量的意義：半導體中的電子在外力作用下，描述電子運動規律的方程出現的有效質量。并不是電子的慣性質量。半導體中的電子受力即由外電場作用，又受到半導體內部原子及其他電子的勢場作用。電子的加速度應該是半導體內部勢場和外電場的綜合結果。但是要找出內部勢場的具體形式并且求出加速度，遇到一定的困難，引入有效質量可使問題變得簡單研究電子在外力作用下的運動規律時，不涉及到半導體內部勢場的作用，特別是有效質量可以直接測定，因而方便解決電子運動規律第27頁/共54頁能帶底部或頂部E(k)與k的關系：其中為能帶底或頂電子的有效質量。半導體中電子的平均速度，能帶極值附近電子的速度為：半導體中電子的加速度：第28頁/共54頁本征半導體的導電機構半導體中除了導帶上電子導電作用外，價帶中空穴也參與導電，對于本征半導體，導帶中出現多少電子，價帶中相應的出現多少空穴，導帶上電子參與導電，價帶上空穴也參與導電，這就是本征半導體的導電機構第29頁/共54頁第二章半導體中載流子的統計分布目的：計算熱平衡載流子濃度及其隨溫度的變化規律方法：了解允許的量子態能量分布情況；了解電子在允許的量子態中如何分布。第一：允許的量子態能量如何分布？K空間中量子態的分布，k的允許值為：第30頁/共54頁

半導體導帶底附近的狀態密度，為了簡單起見，考慮能帶極值在k=0，等能面為球面的情況。導帶附近E(k)與k的關系為：在k空間中，以為半徑作一球面，為能量為E(k)的等能面；再作以K+dK為半徑的球面，它是能量為E+dE的等能面。要計算能量在E到E+dE之間的量子態數，只要計算這兩個球殼之間的量子態數即可。兩個球殼之間的體積是,而k空間中，量子態密度是2V,所以，在能量E到E+dE間的量子態數為：所以，第31頁/共54頁導帶底能量E附近單位能量間隔的量子態數，即導帶底附近狀態密度gc(E)為導帶底附近單位能量間隔內的量子態數目，隨著電子的能量增加按拋物線關系增加，即電子能量越高，狀態密度越大第32頁/共54頁第二：電子在允許的量子態中如何分布？

在一定的溫度下，半導體中的大量電子不停地作無規則的熱運動，電子既可以從晶格熱振動獲得能量，從低能量的量子態躍遷到高能量的量子態，也可以從高能量的量子態躍遷到低能量的量子態，將多余的能量釋放出來成為晶格熱振動的能量。從大量電子的整體來看，在熱平衡狀態下，電子按能量大小具有一定的統計分布規律性，即這時電子在不同能量的量子態上統計分布概率是一定的。根據量子統計理論，服從泡利不相容原理的電子遵循費米統計律。對于能量為E的一個量子態被一個電子占據的概率f(E)為：其中f(E)稱為電子的費米分布函數，描寫熱平衡狀態下，電子在允許的量子態上如何分布的一個統計分布函數其中代表系統的化學勢，F是系統的自由能。上式的意義是：當系統處于熱平衡狀態，也不對外界作功的情況下，系統中增加一個電子所引起系統自由能的變化，等于系統的化學勢，也就是等于系統的費米能級。而處于熱平衡狀態的系統有統一的化學勢，所以處于熱平衡狀態的電子系統有統一的費米能級。第33頁/共54頁費米分布函數f(E)的一些特性：圖4給出了溫度為0，300，1000，1500K時費米分布函數f(E)與E的曲線。從圖中看出，隨著溫度升高，電子占據能量小于費米能級的量子態的概率下降，而占據能量大于費米能級的量子態的概率增大電子與空穴的波爾茲曼分布函數：費米能級EF位于禁帶內，而且與導帶底或價帶頂的距離遠大于koT,導帶中的所有量子態來說，被電子占據的概率，一般都滿足f(E)<<1,故半導體導帶中的電子分布可以用電子的波爾茲曼分布函數描寫。由于隨著能量E的增大，f(E)迅速減小，所以導帶中絕大多數電子分布在導帶底附近。同理，對半導體價帶中的所有量子態來說，被空穴占據的概率，一般都滿足1-f(E)<<1。故價帶中的空穴分布服從空穴的波爾茲曼分布函數。由于隨著能量E的增大，1-f(E)迅速增大，所以價帶中絕大多數空穴分布在價帶頂附近。通常把服從波爾茲曼統計律的電子系統稱為非簡并性系統，而服從費米統計律的電子系統稱為簡并性系統。第34頁/共54頁導帶中的電子濃度與價帶中空穴濃度圖5中畫出了能帶、函數f(E)、1-f(E)、gc(E)、gv(E)以及f(E)gc(E)和[1-f(E)]gv(E)等曲線。圖4(e)中用陰影線標出了的面積就是導帶中能量E到E+dE間的電子數，所以f(E)gc(E)曲線與能量軸之間的面積除以半導體體積后就等于導帶的電子濃度。第35頁/共54頁在非簡并情況下，導帶中電子濃度可計算如下：在能量E到E+dE間的電子數dN為單位體積中電子數為：第36頁/共54頁稱為導帶的有效狀態濃度，顯然，是溫度的函數

第37頁/共54頁稱為價帶的有效狀態密度。顯然，是溫度的函數

是空穴占據能量為的量子態的概率。

所以可以看出導帶中電子濃度和價帶中空穴濃度都隨著溫度和費米能級的不同而變化，其中溫度的影響，一方面來源于Nv和Nc；另一方面，也是更主要的來源，是由于波爾茲曼分布函數中的指數隨溫度迅速變化。另外費米能級也與溫度及半導體中所含雜質情況密切相關。因此，在一定溫度下，由于半導體中所含雜質的類型和數量的不同，電子濃度no和空穴濃度Po也將隨之變化。第38頁/共54頁載流子濃度乘積n0po

電子與空穴的濃度乘積和費米能級無關。對一定的半導體材料，乘積只決定于溫度T，與所含雜質無關。當半導體處于熱平衡狀態時，載流子濃度的乘積保持恒定，如果電子濃度增加，那么空穴的濃度就要減少，反之亦然。

第39頁/共54頁本征半導體的載流子濃度本征載流子濃度ni為試驗測定高溫下的霍爾系數和電導率，從而得到很寬溫度范圍內本征載流子濃度與溫度的關系，作出關系直線，從直線的斜率可求得T=0K時禁帶寬度斜率。第40頁/共54頁雜質半導體載流子濃度n型半導體電中性條件為：等式左邊是單位體積中負電荷數，實際上為導帶中的電子濃度；等式右邊是單位體積中的正電荷數，實際上是價帶中的空穴濃度與電離施主濃度之和。即可得：第41頁/共54頁上式子中除EF之外，其余各量均為已知，因而在一定溫度下可以將EF決定出來。但是從上式求EF的一般解析式還是困難，下面分析不同溫度范圍的情況1、低溫弱電離區第42頁/共54頁2、中間電離區施主雜質有1/3電離3、強電離區No=ND4、過渡區第43頁/共54頁P型半導體低溫弱電離區：強電離區（飽和區）過渡區：第44頁/共54頁圖8給出了不同摻雜情況下費米能級圖強p型中，NA大，導帶中電子最少，價帶中電子也最少。故可以說，強p型半導體中，電子填充能帶的水平最低，EF也最低；弱p型中，導帶及價帶中電子稍多，能帶被電子填充的水平也稍高，EF也升高了；本征半導體，無摻雜，導帶及價帶中載流子數一樣多；弱n型中，導帶及價帶中電子更多了，能帶被電子填充的水平也更高，EF升到禁帶中線以上；強n型中，導帶及價帶中電子最多，能帶被電子填充的水平最高，EF也最高。第45頁/共54頁第三章

半導體的導電性3.1半導體的主要散射機構半導體內部除了周期性勢場外，又存在一個附加勢場從而使周期性勢場發生變化，由于附加勢場的作用，就會使能帶中的電子發生在不同k狀態間的躍遷。此附加勢場產生的主要原因：電離雜質的散射晶格振動的散射其它因素引起的散射3.2遷移率與雜質和溫度的關系不同散射機構，遷移率與溫度的關系為：電離雜質散射：(2)晶格振動散射：聲學波散射光學波散射由于任何時候都有幾種散射機構同時存在,所以