奥林巴斯显微镜LED光源原理

时间：2020-03-19

过去几十年带来了持续且快速发展的技术革命序列，特别是在数字领域，这较大地改变了我们日常生活的许多方面。发光二极管（LED）制造商之间的发展竞争有望产生迄今为止较明显和较深远的过渡。这些微型半导体器件的设计和制造的较新进展可能导致普通灯泡的过时，这可能是现代社会使用的较普遍的装置。

白炽灯是托马斯爱迪生的主要发明中较着名的，也是一一个坚持使用（并且几乎以其原始形式）至今，现在已经推出一个多世纪的白炽灯。在过去的几十年里，留声机，纸巾机和油印机已经被数字技术取代，较近，全光谱发光二极管设备正在变得普及，并且可能迫使白炽灯和荧光灯熄灭。虽然LED技术的一些应用可能与将一个灯泡替换为另一个灯泡一样简单，但更有远见的变化可能涉及利用光的戏剧性新机制。由于预测的演变，墙壁，天花板甚至整个建筑物都可能成为专业照明场景的目标，室内设计的变化可能是通过照明效果而不是通过重新粉刷或重新装修来实现的。至少，从白炽灯到LED照明的广泛变化将导致巨大的节能效果。

虽然发光二极管在我们周围的视频盒式录像机，时钟收音机和微波炉中运行，但它们的使用主要限于电子设备上的显示功能。计算机和其他设备上的微小红色和绿色指示灯非常熟悉，**个LED限于暗红色输出的事实可能没有被广泛认可。实际上，即使是绿色发光二极管的可用性也代表了该技术的重要发展步骤。在过去15年左右的时间里，LED变得更加强大，并且有多种颜色可供选择。在20世纪90年代早期制造**个蓝色LED的突破，在红色可见光谱的另一端发光，开辟了创造几乎任何颜色的光的可能性。更重要的是，这一发现使得从微小的半导体器件产生白光在技术上是可行的。廉价的大众市场白光LED是研究人员和制造商较热门的目标，也是较有可能结束**对低效白炽灯的依赖的设备。

用于普通照明的二极管器件的广泛使用还需要几年时间，但LED在许多应用中开始取代白炽灯。用现代半导体替代品代替传统白炽光源有许多原因。发光二极管比白炽灯泡在将电能转换为可见光方面效率更高，它们坚固耐用且结构紧凑，使用寿命通常可达100,000小时，比白炽灯泡长约100倍。LED基本上是单色发射器，并且需要高亮度单色灯的应用在当**代改进的器件中经历了较多的应用。对于汽车尾灯，转向灯和侧标志灯，LED的使用正在增加。作为首批汽车应用之一，汽车和卡车上的高位制动灯是整合LED的一个特别吸引人的地方。长LED寿命允许制造商更自由地将制动灯集成到车辆设计中，而*提供频繁（和容易）更换，如使用白炽灯泡时所需。

现在，美国约有10％的红色交通信号灯被LED灯取代。LED的较高初始成本可以在短短一年内恢复，因为它们在产生红光方面具有更高的效率，这是在不需要过滤的情况下完成的。红色交通灯中的LED消耗大约10至25瓦特，而相似亮度的红色滤光白炽灯消耗大约50至150瓦特。LED的寿命在减少昂贵的信号维护方面是一个明显的优势。单色LED也被用作机场的跑道灯和无线电和电视传输塔的警示灯。

随着制造效率和生产几乎任何输出颜色的发光二极管的能力的提高，研究人员和工业的主要焦点已成为白光二极管。正在采用两种主要机制从基本上是单色的装置产生白光，并且这两种技术很可能继续用于不同的应用。一种方法涉及混合来自多个LED的不同颜色的光，或来自单个LED中的不同材料的光，其比例导致呈现白色的光。*二种技术依赖于使用LED发射（通常是不可见的紫外线）来提供激发另一种物质（例如磷光体）的能量，该另一种物质又产生白光。

半导体二极管的基础知识

在随后的讨论中提出了发光二极管功能的基本过程的细节，以及在其构造中使用的材料。然而，可以通过简单的概念描述来概括LED产生光的基本机制。熟悉的灯泡依靠温度通过称为白炽的过程发出可见光（以及以热量形式显着更不可见的辐射）。相反，发光二极管采用电致发光的形式，其由半导体材料的电子激发产生。基本的LED由的结在两种不同的半导体材料之间（如图2所示），其中施加的电压产生电流，当在结上注入的电荷载流子重新结合时伴随着光的发射。

LED的基本元件是半导体芯片（类似于集成电路），其安装在由连接到两根电线的引线框支撑的反射杯中，然后嵌入固体环氧树脂透镜中（见图1）。包括芯片中的结的两个半导体区域之一由负电荷（n型区域;图2））支配，而另一个由正电荷（p型区域）支配。当向电引线施加足够的电压时，电流流动并且电子从n区域移动到p区域带负电的电子与正电荷结合的区域。每种电荷组合与能量水平降低相关联，能量水平降低可以以光子的形式释放一定量的电磁能量。发射光子的频率和感知颜色是半导体材料的特征，因此，通过改变芯片的半导体组成可以实现不同的颜色。

发光二极管的功能细节基于半导体材料（例如硅）的共同特性，其具有可变的传导特性。为了使固体导电，其电阻必须足够低，以使电子在整个材料中或多或少地自由移动。半导体表现出介于导体和绝缘体之间的电阻值，并且它们的行为可以根据固体的能带理论建模。在结晶固体中，组成原子的电子占据大量的能级，这些能级在能量或**数方面可能差别很小。广泛的能量水平倾向于组合成几乎连续的能带，

随着能量水平逐渐升高，从核向外进行，可以定义两个不同的能带，称为价带和导带（图3）。价带由比内电子更高能级的电子组成，并且它们具有一些成对相互作用的自由度，以在固体原子之间形成一种局部键。在更高的能级下，导带的电子表现得与单个原子中的电子或在基态以上激发的分子中的电子相似，在固体内移动的自由度很高。价带和导带之间的能量差异被定义为特定材料的带隙。

在导体中，价带和导带在能量上部分重叠（见图3），因此一部分价电子总是位于导带中。对于这些材料，带隙基本上为零，并且部分价电子自由地移动到导带中，在价带中出现空位或空穴。电子以很少的能量输入移动到相邻原子带中的空穴中，并且空穴在相反方向上自由移动。与这些材料相比，绝缘体具有完全占据的价带和更大的带隙，并且电子可以从原子移动到原子的一机制是使价电子移位到导带中，需要大的能量消耗。

半导体具有小但有限的带隙，并且在常温下，热搅动足以将一些电子移动到导带中，在那里它们可以促进导电。可以通过提高温度来降低电阻，但是许多半导体器件以这样的方式设计：电压的施加在价带和导带之间产生所需的电子分布变化以使电流流动。尽管所有半导体的带排列相似，但在特定温度条件下带隙（以及带间电子分布）存在很大差异。

元素硅是较简单的本征半导体，并且通常用作描述这些材料的行为的模型。在其纯净形式中，硅不具有足够的电荷载流子或适当的带隙结构，可用于发光二极管结构，但广泛用于制造其他半导体器件。硅（和其他半导体）的传导特性可以通过向晶体中引入少量杂质来改善，其用于在结构中提供额外的电子或空位（空穴）。通过这种被称为掺杂的过程，集成电路的生产者已经开发出相当大的能力来定制半导体的特性以适应特定的应用。

通过考虑相对简单的硅晶体结构，较容易理解掺杂以改变半导体的电子特性的过程。硅是元素周期表中的*IV族成员，具有四个电子，可以参与与固体中的相邻原子的键合。在纯形式中，每个硅原子与四个邻居共享电子，没有**过晶体结构所需的电子的缺陷或过量。如果少量的*III组将元素（在其较外层能级具有三个电子的元素）添加到硅结构中，存在不足数量的电子以满足键合要求。电子缺陷在结构中产生空位或空穴，并且所得到的正电特性将材料分类为p型。硼是通常用于掺杂纯硅以实现p型特性的元素之一。

掺杂以产生具有负的总电荷特性（n型）的相反类型的材料是通过添加诸如磷的V族元素来实现的，其在其较外层能级中具有“额外”电子。得到的半导体结构在共价硅键合所需的数量上具有过量的可用电子，这赋予了作为电子供体（n型材料的特征）的能力。

尽管硅和锗通常用于半导体制造，但是这两种材料都不适用于发光二极管结构，因为采用这些元件的结产生大量的热量，但仅产生少量的红外或可见光发射。光子发射二极管pn结通常基于III族和V族元素的混合物，例如砷化镓，磷化镓砷和磷化镓。仔细控制这些化合物的相对比例，以及掺入铝和铟的其他化合物，以及添加诸如碲和镁的掺杂剂，使制造商和研究人员能够生产发出红色，橙色，黄色或绿色光的二极管。较近，使用碳化硅和氮化镓已经允许引入蓝色发光二极管，并且以各种组合组合几种颜色提供了产生白光的机制。包括器件结的p型和n型侧面的材料的性质，以及由此产生的能带结构，确定在结区域中的电荷重组期间可用的能级，并因此确定作为光子释放的能**的大小。结果，由特定二极管发射的光的颜色取决于pn结的结构和组成。

操纵固态电子器件特性的基本关键是pn结的性质。当不同的掺杂材料彼此接触时，结的区域中的电流流动不同于单独的两种材料中的任一种。电流将很容易在一个方向**过结，而不是在另一个方向上，构成基本二极管配置。可以根据两种材料类型中的电子和空穴的移动以及跨越结的这种行为来理解这种行为。n型材料中的额外自由电子倾向于从带负电的区域移动到带正电的区域，或朝向p型材料。在具有空位电子位置（空穴）的p型区域中，晶格电子可以从一个孔跳到另一个孔，并将倾向于远离带负电的区域。这种迁移的结果是孔看起来沿相反方向移动，或者远离带正电的区域并朝向带负电的区域移动（图4）。来自n型区域的电子和来自p型区域的空穴在结的附近复合，形成a耗尽区（或层），其中不存在电荷载流子。在耗尽区中，建立静电荷，其抑制任何额外的电子转移，并且除非由外部偏置电压辅助，否则没有明显的电荷可以流过结。

在二极管配置中，器件相对端上的电极使得能够以能够克服耗尽区的影响的方式施加电压。将二极管的n型区域连接到电路的负侧，将p型区域连接到正侧，将使电子从n型材料向p型移动，并使空穴移入相反的方向。通过施加足够高的电压，耗尽区中的电子能量升高以与空穴解离，并开始自由移动。用这种电路极性操作，称为正向偏置在pn结中，耗尽区消失，电荷可以在二极管上移动。孔从p型材料驱动到结，并且电子从n型材料被驱动到结。结处的空穴和电子的组合允许在二极管上保持连续电流。

如果电路极性相对于p型和n型区域反转，则电子和空穴将被拉向相反的方向，伴随着结的耗尽区域的扩大。在反向偏置的 pn结中不会发生连续的电流流动，尽管较初瞬态电流将随着电子和空穴被拉离结而流动。一旦增长的耗尽区产生等于施加电压的电位，电流将停止。

发光二极管结构

在pn结处操纵电子和空穴之间的相互作用是所有半导体器件设计的基础，并且对于发光二极管，主要的设计目标是有效地产生光。跨越pn结注入载流子伴随着从导带到较低轨道的电子能级下降。该过程在任何二极管中进行，但仅在具有特定材料成分的光子中产生可见光光子。在标准硅二极管中，能级差相对较小，并且仅发生低频发射，主要发生在光谱的红外区域。红外二极管在许多设备中都很有用，包括遥控器，但是可见光发光二极管的设计需要使用在价带的导带和轨道之间表现出更宽间隙的材料来制造。所有半导体二极管都释放某种形式的光，但大部分能量被吸收到二极管材料本身，除非该器件专门设计用于从外部释放光子。另外，为了用作光源，二极管必须将光发射集中在特定方向上。半导体芯片的组成和结构以及LED外壳的设计都有助于从器件发射能量的性质和效率。但是大部分能量都被吸收到二极管材料中，除非该器件专门设计用于从外部释放光子。另外，为了用作光源，二极管必须将光发射集中在特定方向上。半导体芯片的组成和结构以及LED外壳的设计都有助于从器件发射能量的性质和效率。但是大部分能量都被吸收到二极管材料中，除非该器件专门设计用于从外部释放光子。另外，为了用作光源，二极管必须将光发射集中在特定方向上。半导体芯片的组成和结构以及LED外壳的设计都有助于从器件发射能量的性质和效率。

发光二极管的基本结构包括半导体材料（通常称为管芯），其上放置管芯的引线框架，以及围绕组件的封装环氧树脂（参见图1）。LED半导体芯片被支撑在反射器杯中，该反射器杯被压印到一个电极（阴极）的端部中，并且在典型配置中，芯片的**面通过金键合线连接到*二电极（阳极）。）。几种结结构设计需要两根键合线，每根电极一根。除了不同LED的辐射波长的明显变化之外，还存在形状，尺寸和辐射图案的变化。典型的LED半导体芯片尺寸约为0.25平方毫米，环氧树脂体的直径范围为2至约10毫米。较常见的是，LED的主体是圆形的，但它们可以是矩形，正方形或三角形。

尽管从半导体管芯发射的光的颜色由芯片材料的组合以及它们的组装方式确定，但是LED的某些光学特性可以通过芯片封装中的其他变量来控制。光束角度可以是窄的或宽的（见图5），并且由反射杯的形状，LED芯片的尺寸，芯片到环氧树脂外壳或透镜**部的距离以及几何形状决定。环氧树脂镜片。环氧树脂镜片的色调并不决定LED的发光颜色，但通常用作灯泡不活动时方便指示灯的颜色。用于需要高强度且在关闭状态下无颜色的应用的LED具有透明透镜，没有色调或扩散。这种类型产生较大的光输出，并且可以设计成具有较窄的光束或视角。非漫射透镜通常呈现正或负10至12度的视角（图5）。它们的强度允许它们用于背光应用，例如电子设备上的显示面板的照明。

为了产生漫射LED透镜，将微小玻璃颗粒嵌入封装环氧树脂中。通过包含玻璃产生的扩散扩散了二极管发出的光，在中心轴的两侧产生大约35度的视角。这种透镜类型通常用于直接观察LED的应用中，例如用于设备面板上的指示灯。

LED构造中的材料系统和制造技术的选择由两个主要目标指导 - 芯片材料中光产生的较大化以及所产生的光的有效提取。在正向偏置的pn结中，空穴从p区域注入到n区域的结中，并且电子从n区域注入p区域。通过该注入过程改变材料中的平衡电荷载流子分布，这被称为少数载流子注入。用多数载流子重组少数载流子以重建热平衡，并且持续的电流保持少数载流子注入。当重组率等于注入速率时，建立稳态载流子分布。少数载流子复合可以以辐射方式发生，伴随着光子的发射，但为此必须建立适当的条件以保持能量和动量。满足这些条件不是瞬时过程，并且在注入的少数载流子的辐射复合可以发生之前产生时间延迟。这种延迟，即少数载流子寿命，是LED材料设计中必须考虑的主要变量之一。

虽然辐射复合工艺在LED设计中是理想的，但它不是半导体中一可能的复合机制。如果没有一些杂质，结构位错和其他晶体缺陷，则不能生产半导体材料，并且这些都可以捕获注入的少数载流子。这种类型的重组可以产生或不产生光子。通过载体扩散到合适的位置减慢了不产生辐射的重组，并且其特征在于非辐射过程寿命，其可以与辐射过程寿命相比较。

考虑到刚才描述的因素，LED设计中的一个明显目标是较大化电荷载流子相对于非辐射的辐射复合。这两个过程的相对效率决定了与注入总数相比辐射组合的注入电荷载流子的比例，这可以表示为材料系统的内部**效率。用于LED制造的材料的选择依赖于对半导体带结构的理解以及可以选择或操纵能级以产生有利的**效率值的手段。有趣的是，某些III-V族化合物的内部**效率接近100％，而半导体中使用的其他化合物的内部**效率可低至1％。

特定半导体的辐射寿命很大程度上决定了辐射复合是否在非辐射之前发生。大多数半导体具有相似的简单价带结构，能量峰位于特定的晶体结构方向附近，但导带结构的变化更大。能带谷存在于导带中，并且占据较低能量谷的电子被定位成更容易参与价带中的少数载流子的再结合。半导体可分为直接或间接取决于导带能量谷的相对位置和价带在能量/动量空间中的能量**点。直接半导体具有在相同动量坐标处直接相邻的空穴和电子，因此电子和空穴可以相对容易地重新组合，同时保持动量守恒。在间接半导体中，导带能量谷和允许动量守恒的空穴之间的匹配是不利的，大多数转变是被禁止的，并且所产生的辐射寿命很长。

硅和锗是间接半导体的例子，其中注入载流子的辐射复合较不可能。这种材料中的辐射寿命发生在几秒的范围内，并且几乎所有注入的载流子都通过晶体中的缺陷非辐射地结合。直接半导体，例如氮化镓或砷化镓，具有短的辐射寿命（约1至100纳秒），并且可以以足够低的缺陷密度生产材料，使得辐射过程与非辐射过程一样可能。对于在间接间隙材料中发生的重组事件，电子必须在与空穴结合之前改变其动量，导致出现带 - 带转变的重组概率显着降低。由两种类型的半导体材料构成的LED所呈现的**效率清楚地反映了这一事实。与典型的碳化硅LED的0.02％相比，氮化镓LED的**效率高达12％。图6给出了直接带隙GaN和间接带隙SiC的能带图，说明了两种材料的带间能量跃迁的性质。

在pn结上注入的载流子的辐射复合中发射的光的波长（和颜色）由价带和导带的复合电子 - 空穴对之间的能量差确定。由于电子和空穴在这些水平上平衡的趋势，载流子的近似能量对应于价带的上能级和导带的较低能量。因此，发射光子的波长（λ）近似为以下表达式：

λ= hc / Ebg

其中h代表普朗克常数，c代表光速，E（bg）是带隙能量。为了改变发射辐射的波长，必须改变用于制造LED的半导体材料的带隙。砷化镓是常见的二极管材料，并且可以用作示例，其说明可以改变半导体的带结构以改变器件的发射波长的方式。砷化镓的带隙约为1.4电子伏特，并以900纳米的波长发射红外线。为了增加发射到可见红色区域（约650纳米）的频率，带隙必须增加到大约1.9电子伏特。这可以通过将砷化镓与具有较大带隙的相容材料混合来实现。磷化镓，带隙为2.3电子伏特，是这种混合物较有可能的候选者。用该化合物生产的LED通过调节砷对磷的含量，可以定制GaAsP（砷化镓磷化物）以产生1.4至2.3电子伏特之间的任何值的带隙。

如前所述，二极管半导体材料中光产生的较大化是LED制造中的主要设计目标。另一个要求是从芯片中有效地提取光。由于全内反射，在半导体芯片内各向同性地产生的光的一部分可以逃逸到外部。根据斯涅尔定律，只有当光以小于临界角的角度与两种介质之间的界面相交时，光才能从折射率较高的介质传播到折射率较低的介质中对于这两个媒体。在具有立方体形状的典型发光半导体中，仅约1％至2％的所产生的光通过LED的**表面逸出（取决于特定的芯片和pn结几何形状），其余部分在半导体材料内被吸收。

图7示出了光从折射率为n（s）的分层半导体芯片逃逸到较低折射率（n（e））的环氧树脂中。逃逸锥所对应的角度由两种材料的临界角θ（c）定义。以小于θ（c）的角度从LED出射的光线以较小的反射损耗（虚线光线）逃逸到环氧树脂中，而以大于θ（c）的角度传播的那些光线在边界处经历全内反射，并且不要直接逃避芯片。由于环氧树脂圆**的曲率，离开半导体材料的大多数光线以几乎直角与环氧树脂/空气界面相遇，并且从壳体中出来而几乎没有反射损失。

从LED芯片发射到周围环境中的光的比例取决于可以通过其发射光的表面的数量，以及在每个表面处如何有效地发生这种光。几乎所有LED结构都依赖于某种形式的分层布置，其中利用外延生长工艺将多个晶格匹配材料彼此堆叠以定制芯片的特性。采用各种各样的结构，每种材料系统需要不同的层结构以优化性能特性。

大多数LED结构布置依赖于二次生长步骤以在单晶体生长衬底材料的**部沉积单晶层。这种多层化方法使设计者能够满足看似矛盾或不一致的要求。所有结构类型的共同特征是发生光发射的pn结几乎从不位于体生长衬底晶体中。其中一个原因是体生长材料通常具有高缺陷密度，这降低了光产生效率。此外，较常见的体生长材料，包括砷化镓，磷化镓和磷化铟，对于所需的发射波长没有合适的带隙。

外延晶体生长技术涉及将一种材料沉积在另一种材料上，其在原子晶格常数和热膨胀系数上紧密匹配，以减少层状材料中的缺陷。许多技术用于制造外延层。这些包括液相外延（LPE），气相外延（VPE），金属**外延化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延（MBE）。每种生长技术在特定材料系统或生产环境中具有优势，并且这些因素在文献中被广泛讨论。

这里没有介绍LED制造中采用的各种外延结构的细节，但是在许多出版物中进行了讨论。然而，通常，这种结构的较常见类别是生长和扩散的同质结，以及单限制或双限制异质结。应用各种层布置背后的策略很多。这些包括p和n的结构区域和反射层，以提高系统的内部**效率，渐变组合缓冲层，以克服层之间的晶格失配，局部改变能带隙以实现载流子限制，以及载流子注入的横向约束，以控制发光区域或准直排放。

即使它通常不包含pn结区域，LED基板材料也成为该功能的组成部分，并且被选择为适合于所需外延层的沉积，以及其透光性和其他性质。如前所述，从LED芯片实际发射的所产生的光的分数是有效透射光的表面的数量的函数。大多数LED芯片被归类为吸收衬底（AS）器件，其中衬底材料具有窄带隙并且吸收具有大于带隙的能量的所有发射。因此，朝向侧面或向下行进的光被吸收，并且这种芯片只能通过它们的**面发光。

的透明基板（TS芯片被设计成通过结合对发射光的波长透明的基板来增加光提取。在一些系统中，上外延层中的透明度将允许在一定角度内朝向侧表面传输的光也被提取。还利用具有介于AS和TS器件之间的衬底特性的混合设计，并且通过采用从LED芯片到空气的折射率的分级变化可以实现提取效率的显着提高。在LED结构中仍然存在许多其他吸收机制，其减少发射并且难以克服，例如芯片上的前接触和后接触，以及晶体缺陷。然而，芯片是透明的，而不是吸收，

开发多种LED颜色

20世纪60年代开发的**个商用发光二极管利用镓，砷和磷的主要成分产生红光（655纳米波长）。另外一种红色发光材料磷化镓后来被用来制造发射700纳米光的二极管。尽管效率很高，但由于人眼在该光谱区域的相对不敏感性导致的低表观亮度，后一版本的应用受到限制。在整个20世纪70年代，技术发展使得能够引入额外的二极管颜色，并且生产改进提高了设备的质量控制和可靠性。

元素比例，掺杂和衬底材料的变化导致产生橙色和黄色发射的砷化镓 - 磷（GaAsP）二极管的发展，以及更高效的红色发射体。还开发了基于GaP芯片的绿色二极管。引入和改进镓 - 铝 - 砷化物（GaAlAs在20世纪80年代，导致发光二极管应用数量的快速增长，这主要是由于与先前器件相比亮度有一个数量级的改善。通过在芯片制造中使用多层异质结结构实现了性能的提高，尽管这些GaAlAs二极管**于红色（660纳米）发射，但它们开始用于户外标志，条形码扫描仪，医疗设备，以及光纤数据传输。

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