Electronic materials Lab. - pds17.egloos.compds17.egloos.com/pds/201001/07/46/LED.pdf · 발광다이오드의약자로화합물반도체 ... 반도체에있어두종류 ... 에폭시다이본드

L E D(Light Emitting Diode)

Electronic materials Lab.

Contents

1. 개 요

2. 동작원리

3. 발광 다이오드의 특성

4. 제조공정

5. Package

6. 최근 동향 (Blue and white LED)

Electronic Materials Lab.

(LED) Light Emitting Diode 란?

발광다이오드의 약자로 화합물반도체의 특성을 이용해

전기신호를 적외선 또는 빛으로 변환시켜 신호를 보내고

받는데 사용되는 반도체소자를 말하며 전자제품류와 가정용

가전제품, 리모컨, 자동차 계기판, 전광판, 각종 자동화

기기등에 사용된다.

발광다이오드의 약자로 화합물반도체의 특성을 이용해

전기신호를 적외선 또는 빛으로 변환시켜 신호를 보내고

받는데 사용되는 반도체소자를 말하며 전자제품류와 가정용

가전제품, 리모컨, 자동차 계기판, 전광판, 각종 자동화

기기등에 사용된다.

1. 개 요


LED는 IRED(Infrared Emitting Diode) 와

VLED(Visible Light Emitting Diode)로 나눠진다.

LED는 IRED(Infrared Emitting Diode) 와

VLED(Visible Light Emitting Diode)로 나눠진다.

쓰임 : 가공되어 IR Emitter, TV 리모컨, 광학스위치, IR LAN, 무선 디지털 데이터 통신용 모듈등

IRED(Infrared Emitting Diode)

빨강, 녹색, 노랑, 오렌지색 등 개발

쓰임 : 이 칩은 램프로 조립(LED)되어 각종 전자제품의 표시나 신호등 및 전광판 등의 광원

VLED(Visible Light Emitting Diode)

VLED(Visible Light Emitting Diode)

LED의 분류


각부위 명칭


LED의 각부위 명칭

LED의 특징

1. 발광효율이 높고 저전류에서 고출력을 얻을 수 있다

2. 응답속도가 빠르고 펄스동작 고주파에 의한 변조가 가능하다

3. 광출력을 전류제어로 용이하게 변화시킬 수 있다

4. 직·교류 어떤 것으로도 동작 가능하다

5. 소형경량, 장수명이며, 소비전력이 적다

1. 발광효율이 높고 저전류에서 고출력을 얻을 수 있다

2. 응답속도가 빠르고 펄스동작 고주파에 의한 변조가 가능하다

3. 광출력을 전류제어로 용이하게 변화시킬 수 있다

4. 직·교류 어떤 것으로도 동작 가능하다

5. 소형경량, 장수명이며, 소비전력이 적다

1. 발광파장이 가시(可視) 또는 근적외영역(近赤外領域)에 존재할 것,

2. 발광효율이 높을 것,

3. p-n접합의 제작이 가능할 것 등의 조건을 만족시키는 것으로서

주로 비소화갈륨(GaAs), GaN, 인화갈륨(GaP), 갈륨-비소-인(GaAs1-x Px),

갈륨-알루미늄-비소 (Ga1-xAlxAs), 인화인듐(InP), 인듐-갈륨-인(ln1-xGaxP) 등

3B 및 5B족인 2원소 또는 3원소 화합물 반도체가 사용되고 있다.

1. 발광파장이 가시(可視) 또는 근적외영역(近赤外領域)에 존재할 것,

2. 발광효율이 높을 것,

3. p-n접합의 제작이 가능할 것 등의 조건을 만족시키는 것으로서

주로 비소화갈륨(GaAs), GaN, 인화갈륨(GaP), 갈륨-비소-인(GaAs1-x Px),

갈륨-알루미늄-비소 (Ga1-xAlxAs), 인화인듐(InP), 인듐-갈륨-인(ln1-xGaxP) 등

3B 및 5B족인 2원소 또는 3원소 화합물 반도체가 사용되고 있다.

LED에 적합한 재료

LED의 특징

LED 응용분야

응 용 분 야


조명기기 : 일반조명등, 건물 장식등, Mood등, 차량등Display : 교통신호등, 지하철 행선 안내등,

전광판(실내, 옥외), 유도등, 경고등보안기기 : 원거리 CCD, 각종 보안장비 광원유전공학 생명공학 : 성장 에너지 광원, 살균, 소독 광원

2. 동 작 원 리

발광다이오드

(에너지대역도의 +.- 는 각각 자유정공과 자유전지를 나타낸다)

LED는 순방향 바이어스가 걸렸을 때 빛을 발하는 pn접합 반도체 이다.


※ LED 전극에 순방향 전압(P층:+, N층: -)을 가하면 전도대의 전자가 가전자대의 정공과 재결합을 위하여

천이될 때 그 에너지 만큼 빛으로 발광된다.

천 이 형 태

a)직접천이형 b)간접천이형반도체에 있어 두 종류의 기본적 천이기구


LED용 반도체 재료

1) 직접천이형(direct transition) : GaN

2) 간접천이형(indirect transition) : Si

직접천이로부터 발생하는 빛의 파장은 반도체의 고유한 특성인 에너지밴드갭 (Eg)에 따라 결정됨

Eg = hν = hc /λ(h : 플랭크상수, c : 광속, λ : 파장)

λ [nm] = 1240 / E [eV]

파장에 따른 발광 Color

광에너지와 주파수와의 관계식은 W = hf 이며 따라서 빛의 파장은 다음과 같다.


발광색상 : 사용 반도체 종류/ 첨가 불순물 함량 => 재질의 파장 달라짐

Peak waveColorMaterial

525 nmGreen

700 nmRed

GaP 570 nmGreen

557 nm

470 nmBlueInGaN

660 nmRedGaAlAs

585 nmYellow

615 nmOrange

630 nmAmber

GaAsP

식각우물 표면발산 LED

단면발산 다이오드

표면발산 다이오드와 단면발산 다이오드

표면발산 다이오드와 단면발산 다이오드


3. 동 작 특 성

V – I 특성

발광다이오드의 V - I 특성은 일반의 다이오드와 같은 특성을 나타낸다.

순방향으로 어떤 전압을 가하지 않는 한 발광하지 않는다.


LED의 디지털 변조 LED의 아날로그 변조

디지털 변조에서는 전류원을 변조시켜 LED를 ON, OFF 시킨다.

아날로그 변조는 DC 바이어스를 써서 전체전류가 항상 순방향이 되도록 유지한다.

LED의 디지털 변조와

아날로그 변조

동 작 특 성


단면발산 LED의 비대칭 복사 표면발산 LED의 Lambertian 복사(반치전력폭은 120`이다.)

결합효율

결합효율은 주로 광원의 복사 패턴에 달려 있다.

표면발산 광원보다는 단면발산 광원이

보다 많은 복사량을 집중시킬수 있어 개선된 결합효율을 갖는다.

동 작 특 성


4. 제 조 공 정


Blue LED :InGaN/GaNUV LED : GaN/AlGaN,

InAlGaN/InAlGaN

Sapphire, SIC

20-30 um buffer layer 증착AlN

2~4 um GaN (n-GaN)

Active layer : InGaN

Barrier layer : (AlGaN)

질화물 반도체 청색, UV LED 성장

LED소자 전극 생성


LED소자 전극 생성 공정

단위소자 영역 정의 (photolithography )

Dry 에칭을 이용한 Device isolation

n-type contact을 위한 Dry 에칭

Transparent metal 증착

n-ohmic metal 증착

p-ohmic metal 증착

Rapid thermal annealing


Die Bonding

- Die(Chip)를 Lead Frame(or PCB)에 붙이는 공정

- 분류 :

1) 에폭시 다이본드 (Epoxy Die Bond)

: 접착제(epoxy)를 사용하여 Chip을 Lead Frame에 접착시키는 방법

2) 유테틱 다이본드 (Eutetic Die Bond)

3) 연납 다이본드 (Soft Solder Die Bond)

Wire Bonding

- Die(Chip) Bond 완료후 Chip과 Lead를 연결하는 공정

- 가장 보편적으로 세금선(Extremely Fine Gold Wire)를 사용

- Bonding 방법 :

1) Thermo Compression (T/C) Bonding) : 가열,가압하면서 연결

2) Thermo-Sonic (T/S) Bonding : T/C + 음파에너지를 이용 연결

3) Ultra-Sonic(U/S) Bonding : 압력과 초음파 에너지로 Bonding

제 조 공 정

제 조 공 정


Molding- PKG 성형 공정- PKG 성형방법에 따라 Transfer Mold, Casting Mold로 나누어진다.- 이후 Cure 공정에서 경화성 수지를 경화시켜 PKG 성형을 완성한다.

1) Transfer Mold 방식: Mold Press를 사용하여충분한 압력과 열로PKG를 형성시키는방식

2) Casting Mold 방식 : : 일정한 모양의 용기(LED공정에서는 Mold Cup이라 지칭)에 경화성 수지를 부어 PKG를 형성

제 조 공 정


Trimming (or Sawing)

- Trimming : PKG Lead를 Cutting하는 공정 -> Lead Type LED 적용 PKG

- Sawing : 다수의 PKG를 개개의 LED로 분리하는 공정 -> PCB Type 적용(1608 Chip LED)

Packaging

마이크로 렌즈가 있는 LED헤더 위에 장착된 LED

유리 뚜껑이 있는광원과 광섬유 결합a) 렌즈없음b) 렌즈장착

5. Package


6. 최 근 동 향


화합물 반도체 LED의 조명 효율 발전 추이

백색 LED 구현방법


1. Blue LED + Yellow phosphor고전류 하에서 사용가능, 색감우수, 가장 연구 활발, Blue를 띄는 백색광

2. UV LED + RGB phosphor발광효율 우수, CRI 낮음, 전류밀도에 따라 CRI 변함

3. Red + Green + Blue LEDs3개의 LED를 control 하는 기술개발

Solid state white lighting


White light generation with LEDs


1. Blue LED + yellow phosphor

Operate voltage : 2.7V (lower)Efficiency : 8 lm/W (lower)

ZnS LED+ ZnS

Operate voltage : 3.5VEfficiency : 15 lm/W

GaN LED+ Ce:YAG

○ Sample electric circuit× Red color rendering is not good

Color rendering index (Ra) > 80Color temperature ~ 6500K



2. Near UV LED + R.G.B. phosphor

Color temperature is not the bestDisadvantage

Possibility with new high-efficient-phosphorColor rendering is better than Blue+Ce:YAGHigh efficiency (30 lm/W)

Advantage

Color rendering index (Ra) > 93Color temperature ~ 4000K



3. RGB multi-chip LED

High cost : due to multi-tipDisadvantage

Ideal color renderingHigh efficiency (above 20 lm/W)

Advantage



5. Target efficiency

<3<1550500Cost Target

($/klm)

1500100020020Light Output

(lumens/lamp)

>80>808060Color Rendering

Index(CRI)

>10,000>10,00010,000>1,000Lifetime

(Hrs)

2001505025Performance

(lm/W)

20202012

(replace flourescentlamps)

2007(replace incandescent

lamps)

2002Year

Incandescent CFLs Flourescent



Energy Gap vs Lattice Constant

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