LED100问Word格式.docx

LED100问Word格式.docx

《LED100问Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《LED100问Word格式.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

通常可用反向击穿电压，反向电流和正向电压三个参数来进行伏安特性曲线的描述。

正向电压VF是指额定正向电流下器件二端的电压降，这个什既与材料的禁带宽度有关，同时也标识了P-N结的体电阻与欧姆接触电阻的高低。

VF的大小一定程度上反映了电极制作的优劣。

相对于20毫安的正向电流，红黄光类LED的VF值约为2伏，而GaN基兰绿光类LED器件的VF值通常大于3伏。

反向漏电流IR是指给定的反向电压下流过器件的反向电流值，这个值的大小十分敏感于器件的质量。

通常在5伏的反向电压下，反向漏电流应不大于是10微安，IR过大表明结特性较差。

反向击穿电压是指当反向电压大于某一值时，反向漏电电流会急剧增大，反映了器件反向耐压的特性。

对一个具体器件而言，漏电流大小的标准有所不同，在较为严格的情况下，要求在规定电压下，反向漏电流不大于10微安。

除了电学特性，还需采用一系列的光学参数来描述LED器件的性能，其中较为重要的参数为器件的峰值波长与光强。

可见光属电磁波范畴，通常可以用波长来表达人眼所能感受到的。

可见光的辐射能量，一般可见光的波长范围在380nm—760nm之间，波长越长，其相应的光子能量就越低，光的颜色也显得越红，当光子的波长变短时，光将逐渐由红转黄，进而变绿变兰，直至变成紫色。

对于一个LED器件，其所发的光会在峰值λP处有所展开，其波长半宽度通常为10—30nm，半宽度越越小，说明LED器件的材料越纯，性能越均匀，晶体的完整性也越好。

光强是衡量LED性能优劣的另一个重要参数，通常用字母Iv来表示。

光强的定义是，光在给定方向上，单位立体角内发了1流明的光为1烛光，其单位用坎德拉（cd）表示。

其关系可用公式（6-1）表征：

Iv=dφ/dΩ（6-1）

式中φ的单位为流明，Iv的单位即是cd，dΩ是单位立体角，单位为度。

一个超亮LED芯片的法向光强一般在30—120mcd之间，封装成器件后，其法向光强通常要大于1cd.

光通量是判别LED发光效率的一个更为客观的参量，它表示单位时间内电发光体发出的光能的大小，单位为流明（lm）。

通常白炽灯与荧光灯的光效分别为15lm/w与60lm/w，灯泡的功率越大，光通量越大。

对于一个性能较高的LED器件，光效为20lm/w，实验室水平也有达到100lm/w的。

为使LED器件更快地用于照明，必须进一步提高LED器件的发光效率，估计10年后，LED的光效可达200lm/w。

届时，人类将会迎来一个固态光源全面替代传统光源的新时代。

12、哪些产业是LED产业链的构成部分？

LED产业链大致可以分为五个部分。

一、原材料。

二、LED上游产业，主要包括外延材料和芯片制造。

三、LED中游产业，主要包括各种LED器件和封装。

四、LED下游产业，主要包括各种LED的应用产品产业。

五、测试仪器和生产设备。

关于LED上游、中游和下游产业，下面将有详细介绍这里重点介绍原材料产业和测试仪器和生产设备产业。

LED发光材料和器件的原材料包括衬底材料砷化镓单晶、氮化铝单晶等。

它们大部分是III-V族化合物半导体单晶，生产工艺比较成熟，已有开启即用的抛光征供货。

其他原材料还有金属高纯镓，高纯金属有机物源如三甲基镓、三乙基镓、三甲基烟、三甲基铝等，高纯气体氨、氮氢等。

原材料的纯度一般都要在6N以上。

封装材料有环氧树脂、ABS、PC、PPD等。

外延材料的测试仪器主要有x射线双晶衍射仪，荧光谱仪、卢瑟福背散射沟道谱仪等。

芯片、器件测试仪器主要有LED光电特性测试仪，光谱分析仪等，主要测试参数为正反向电压、电流特性、法向光强、光强角分布、光通量、峰值波长、主波长、色光标、显色指数等。

生产设备则有MOCVD设备、液相外延炉、镀膜机、光刻机、划片机、全自动固晶机、金丝球焊机、硅铝丝超声压焊机、灌胶机、真空烘箱、芯片计数仪、芯片检测仪、倒膜机、光色电全自动分选机等。

18、当前我国LED产品与国际先进相比，主要差距在哪里？

当前我国LED产业与国际先进相比，差距主要反映在产品水平较低和研发能力不足上。

从产品水平方面看越到上游，水平差距越大。

如LED屏幕技术，与国外先进水平差距不大，道路交通信号灯技术水平与国外先进水平略有差距，差距最大的是外延方面，主要反映在光学性能上，还反映在均匀性和成品率上，如InGaAlP外延片制成的芯片，国外最高已达200～300mcd/20mA，而国内仅100~200。

InGaN蓝光和绿光数据也相差近一倍。

至于在新产品的研发能力上，差距显得更大些，目前我们外延产品的结构，还全是仿照他人的，应积极开展创新型研发工作，做出具有我们自主知识产权的东西来。

在大功率LED芯片的研发上，发光效率也大致相当于先进水平的一半，如白光在日本日立和美国Lumiled公司已有50lm/w的产品，而我们研发的最高水平仅为25.7lm/w，发光效率只有19.3lm/w。

大功率LED用国外芯片能封出30lm/w器件。

低档和中档的各种形状的LED我国现在都能生产。

在LED大屏幕产品水平上还有一定差距，而在应用产品的开发上，如液晶背光源，汽车灯方面也有一定差距。

诚然经过努力，我们也有一些开发产品具备了国际上的先进水平。

如硅衬底上外延InGaN，已取得30mcd/20mA的芯片成果。

而在道路交通信号灯和航标灯方面也达到了与国际先进相当的产品水平，并取得了较好的市场业绩。

值得高兴的是，近二年，特别是国家半导体照明工程启动以来，产品水平和开发水平提高的速度明显加快，出现上、中、下游全面启动的好现象，按这样的发展趋势，逐步赶上国际先进水平是指日可待的。

19．LED的发光源是——PN结，是如何制成的？

哪些是常用来制造LED的半导体材料？

发光二极管的实质性结构是半导体PN结。

在PN结上加正向电压时注入少数载流子，少数载流子的复合发光就是发光二极管的工作机理。

PN结就是指在一单晶中，具有相邻的P区和N区的结构，它通常是在一种导电类型的晶体上以扩散、离子注入或生长的方法产生另一种导电类型的薄层来制得的。

如曾用离子注入法制成碳化硅蓝色LED，用扩散法制成GaAs、GaAs0.60P0.40/GaAs0.35P0.65：

N/GaP、GaAs0.15P0.85：

N/GaP、GaP：

ZnO/GaP的红外、红光、橙光、黄光、红光LED，而GaAlAs、InGaN、InGaAlP超高亮度LED都是由生长结制成，效率较高的GaAs、GaP：

ZnO/GaP和GaP：

N/GaPLEDPN结也是用生长结制成的。

生长结一般较扩散法和离子注入法是过补偿制成PN结，无用杂质过多且造成晶体质量下降，缺陷增多，使用权非辐射复合增加，导致发光效率下降。

常用来制造LED的半导体材料主要有砷化镓、磷化镓、镓铝砷、磷砷化镓、铟镓氮、铟镓铝磷等III-V族化合物半导体材料，其他还有IV族化合物半导体碳化硅、II-VI族化合物硒化锌等。

22、当前生产超高亮LED的外延方法主要有几种？

什么是MOCVD？

当前生产超高亮LED的外延方法主要有两种，即液相外延生产AlGaAsLED和金属有机物化学气相淀积（MOCVD）生产AlGaAs、AlGaInP和InGaNLED。

其中尤以MOCVD方法为主。

一九六八年，Manesevil等人用三甲基镓（TMG）做镓源AsH3做As源，H2作载气在绝缘衬底（Al2O3、MgAlO4等）上首次成功地气相淀积了GaAs外延层，创立了金属有机物化学气相淀积技术。

后来的研究表明这是一种具有高可靠性、控制厚度、组成惨杂浓度精度高，垂直性好、灵活性大、非常适合于进行III-V族化合物半导体及其溶体的外延生长，也可应用于II-VI族等，是一种可以实现像硅外延那样大规模生产的工艺，具有广阔发展前途，目前是生产AlGaInP红色和黄色LED和InGaN蓝色、绿色和白色LED的可工业化方法。

由于MOCVD的晶体生长反应是在热分解中进行的，所以又叫热分解法。

通常用III族烷基化合物（Al、Ga、In等的甲基或乙基化合物）作为III族源，用V族氢化物（NH3、PH3、AsH3等作为V族源。

由III族烷基化合物在室温附近是蒸气压较高的液体，所以用氢气作载气鼓泡并使之饱和，再将其与V族氢化物一起通入反应炉中，即在加热的衬底上进行热分解，生成化合物晶体淀积在衬底上。

先进的MOCVD设备应具有一个同时生长多片均匀材料，并能长期保持稳定的生长系统。

设备的精确过程控制是保证能重复和灵活地进行生产优质外延材料的必要条件。

所以设备应具有对载气流量和反应剂压力的精密控制系统，并配备有快速的气体转换开关和压力平衡装置。

将用合适结构，使用权热场均匀，并保证具有满意的结晶质量和表面形貌和外延炉内、片与片、炉与炉之间的均匀性。

目前国际上供应MOCVD设备的公司主要有三个，即美国Veeco公司、德国的Aixtron公司和美国的ThomasSwan公司。

27、请可否能深入浅出地介绍一下LED芯片的制造流程。

LED芯片制造主要是为了制造有效可靠的低欧姆接触电极能满足可接触材料之间最小的压降及提供焊线的压垫，同时要满足尽可能多的出光。

主要流程如图27-1

图27-1

镀膜工艺一般用真空蒸镀方法，其主要在1.33*10-4pa高真空下用电阻加热或电子束轰击加热方法使材料熔化在低气压下变成金属蒸气沉积在半导体材料表面，一般所用P型的接触金属的包括AuBe,AuZn等，N面的接触金属常采用AuGeNi合金，镀膜工艺中最常出现的问题是镀膜前的半导体表面清洗，半导体表面的氧化物，油污等杂质清洗不干净往往造成镀膜不牢，镀膜后形成的合金层还需要通过光刻工艺将发光区尽可能多露出来，使留下来的合金层能满足有效可靠的低欧姆接触电极，及焊线压垫的要求，正面最常用到的形状是圆形，对背面来说若材料是透明的也要刻出圆形如图27-2所示

图27-2

光刻工序结束后还要通过合金化过程。

合金化通常是在H2或N2保护下进行。

合金化的时间温度通常是根据半导体材料特性。

合金炉形式等因素决定，通常红黄LED材料中的合金化温度在350度到550度之间。

合金化成功后半导体表面相邻两电极间的I-V曲线通常是成直线关系，当然若是半绿等芯片在电极工艺还要复杂要增加钝化膜生长，等离子刻蚀工艺等。

红黄LED管芯切割方法类似于硅片管芯切割工艺。

普通使用的是金刚砂轮刀片。

其刀片厚度一般为25um。

对于兰绿芯片工艺来说，由于衬底材料是Al2O3要先用金刚刀划过以后掰裂的方法。

发光二极管芯片的检测的根据一般包括测试其正向导通电压，波长，光强，及反向特性等。

芯片成品包装一般包括白膜包装和蓝膜包装。

白膜装一般是有焊垫的面粘在膜上，芯片间距也较大适合手动。

蓝膜包装一般是背面粘在膜上。

芯片间距较小适合自动机。

35、什么是“倒装装芯片”（FlipChip）?

它的结构如何？

它有哪些优点？

普通蓝光LED芯片结构如图35-1：

蓝光LED通常采用Al2O3用衬底硬度高、热导率和电导率低，如果采用正装结构，一方向会带来防静电的问题，另一方面，在大电流情况下散热也会成为最主要的问题。

同时由于正面电极朝上，会遮掉一部分光，发光效率会降低。

大功率蓝光LED（如图35-2）通过芯片倒装技术（FLIPCHIP）可以比传统的封装技术得到更多的有效出光。

现在主流的倒装结构做法是：

首先制备出具有适合共晶焊接电极的大尺寸蓝光LED芯片。

同时制备出比蓝光LED芯片略大的硅衬底，并在上制作出共晶焊的金导电层及引出导线层（超声金丝球焊点）。

然后，利用共晶焊接设备将大功率蓝色LED芯片与硅衬底焊接在一起。

这种结构的特点是外延层直接与硅衬底接触，硅衬底的热阻又远远低于蓝宝石衬底，所以散热的问题很好地解决了。

由于倒装后蓝宝石衬底朝上，成为出光面，蓝宝石是透明的，因此出光问题也得到解决。

如果在外延表面作一层金属反光层，那么有源层向下发的光通过金属镜面反射向上，通过Al2O3衬底向外发射，提高了出光效率。

37、LED芯片封装成发光二极管一般可以分成哪几种形式？

他们在结构上各有什么不同？

LED芯片的封装形式很多，针对不同使用要求和不同的光电特性要求，有各种不同的封装形式，归纳起来有如下几种常见的形式：

（1）软封装——芯片直接粘结在特定的PCB印制板上，通过焊接线连接成特定的

字符或陈列形式，并将LED芯片和焊线用透明树脂保护，组装在特定的外壳中。

这种钦封装常用于数码显示、字符显示或点陈显示的产品中。

（2）引脚式封装——常见的有将LED芯片固定在2000系列引线框架上，焊好电极引

线后，用环氧树脂包封成一定的透明形状，成为单个LED器件。

这种引脚或封装按外型尺寸的不同可以分成φ3、φ5直径的封装。

这类封装的特点是控制芯片到出光面的距离，可以获得各种不同的出光角度：

15°

、30°

、45°

、60°

、90°

、120°

等，也可以获得侧发光的要求，比较易于自动化生产。

（3）微型封装即贴片封装——将LED芯片粘结在微小型的引线框架上，焊好电

极引线后，经注塑成型，出光面一般用环氧树脂包封

（4）双列直插式封装——用类似IC封装的铜质引线框架固定芯片，并焊接电极引线后

用透明环氧包封，常见的有各种不同底腔的“食人鱼”式封装和超级食人鱼式封装，这种封装芯片热散失较好，热阻低，LED的输入功率可达0.1W~0.5W大于引脚式器件，但成本较高。

（5）功率型封装——功率LED的封装形式也很多，它的特点是粘结芯片的底腔较大，且具有镜面反射能力，导热系数要高，并且有足够低的热阻，以使芯片中的热量被快速地引到器件外，使芯片与环境温度保持较低的温差。

具体见42题。

38、LED芯片封装成器件一般的制造程是什么？

LED芯片的封装流程视不同封装结构略有不同，但原则上为如图38-1所示的通常使用的封装流程图

39、为什么要将芯片进行封装？

封装后的器件比裸芯在性能上有什么不同？

（1）通过封装保护芯片不受气氛侵害和震动、冲击性损害

由于LED芯片无法直接使用，必须固定在支架等便于使用的装置中，因此芯片与支架必须通过“打线”引出加注电流的导线，即引线。

这些连线很细，直径仅0.1mm以下的金或铝线不能耐受冲击，另外芯片表面必须不受水、气等物质侵蚀，同样要加以固封保护。

这就要用透明率极高的材料加以灌封。

一般常用透明环氧树脂或透明硅胶类材料将芯片保护起来。

（2）我们知道，如果芯片与空气直接做界面，由于芯片材料与空气的光折射系数相差

较大，导致芯片内发出的光大部分被反射回芯片，不能逸出到空气中去。

以GaAs材料与空气为例，在界面处，芯片的全反射临界角θc约为14°

，仅4-12%的光子能逸出到空气中，如果用折射系数为1.5的环氧树脂与芯片做截面，则其θc约为22.6°

，则提高了光的逸出率，再用球型环氧树脂与空气作为界面，则其内部的光子几乎绝大部分可以逸出到空气中，仅不到4%的被反射，因此，通过选择封装材料的折射系数与芯片作界面进行封装，可以提高LED的出光效率。

（3）增大芯片上热量散失的能力

芯片通过引线支架，可以将芯片由于施加功率引起温度升高的热量导出到空气中去，也

就是可以提高芯片PN结上施加的电功率，提高芯片使用的可靠性，改善因结温升高而引起的光电参数的退化。

（4）方便LED的组装与使用。

由于LED封装的形式较多，对于不同的使用场合和安装上的要求，可以选择最有利于

组装和散热的封装，这就使LED器件的应用范围得以拓展。

41、何谓“一次光学设计”？

LED封装中有哪几种出光透镜？

他们有何特点？

在LED封装过程中，一个很重要的方面是如何达到高的出光效率和符合不同出光要求的发光配光要求？

这就是LED“一次光学”设计要解决的问题。

LED裸芯片是无法直接使用的，必须加以封装。

与其他半导体器件不同，它要通过封装将芯片发出的光尽可能多地取出来，不仅如此还要达到不同的出光角度，配光要求。

由于这比较专业，这里仅举例加以简单说明。

图41-1示出芯片与某一材料的光线传达输路径的示意图。

其中n1是LED芯片，例如InGaN，其折射系数为2.3，环氧树脂，其折射系数为1.5，显然这种平面结构，芯片射出的光会发生全反射系数为1.5，显然这种平面结构，芯片射出的光会发生全反射到芯片内部的临界角θc=arcSin（1.5/2.3）≈40.7°

，它较之芯片与空气直接作界面时的临界角大出14.3，显然提高出光率，如果使环氧树脂的几何形状通过设计成一定的透镜形状，就可以使环氧树脂中的光向空气中射出的路径进行变化，形成不同的出光角度，如15°

，30°

，60°

，120°

等，也可以通过使用PC材料作临界面，将芯片的光通过折射形成平行光，发射出去（聚光）

或从透镜四边侧面射出（侧发光）等不同的配光方式，这就是所谓LED封装中的一次光学设计。

42、大功率LED的封装形式目前常见的有哪几种？

他们各自有哪些异同？

常见的功率LED的封装结构如图42-1所示，在这种封装结构中将LED功率芯片用合金法“烧结”在铜质碗腔内加以固定，引线经焊接将LED正负电极与覆铜墙铁壁铝基板上的焊点连结起来，再用透明硅胶（白光则用荧光粉）覆盖芯片和引线，最后将根据要求的出光角度的透镜安装在铝基板上，构成一个功率LED器件。

铝热沉的厚度与面积视LED功率大小的确定，可以有各种不同的尺寸和形式。

由于用PC树脂作透镜，可以根据发光的要求的不同，设计出聚光型，发散型，侧光型等透镜。

集成多芯片封装——这种封装形式就是将多个LED芯片组装在同一个基板上，根据使用要求用印刷技术使各个芯片连接成一定的串/并结构，可以用多个使每个芯片出光角度为一定的小透镜，组成一个大尺寸的出光面，图42-2示出这种结构的实样示意图。

随着LED应用的拓展和封装技术的提高，各种性能好，成本低，便于大生产的封装方式会层出不穷，越来越多。

48、白光LED是通过哪些方法来实现的？

目前LED实现白光的方法主要有三种：

（1）通过LED红、蓝、黄的三基色多芯片组合发光合成白光；

优点：

效率高、色温可控、显色性较好。

缺点：

三基色光衰不同导致色温不稳定、控制电路较复杂、成本较高。

（2）蓝光LED芯片激发黄色荧光粉，由LED蓝光和荧光粉发出的黄绿光合成白光，

为改变显色性能还可在其中加少量红色荧光粉或同时加适量绿色、红色荧光粉；

效率高、制备简单、温度稳定性较好、显色性较好。

一致性差、色温、角度变化。

（3）近紫外光LED芯片激发荧光粉发出三基色合成白光。

显色性好、制备简单。

目前LED芯片效率较低、有紫外光泄漏问题、荧光粉温度稳定性问题有待解决。

49．当前制造白光LED的主流方法是什么？

基于三基色原理，目前LED实现白光的方法主要有多种，其中技术相对简单的主流方法是在GaN基蓝光LED芯片上涂一层黄色荧光粉，一部分蓝光激发荧光粉产生黄绿光，与直接透过荧光粉的蓝光混合产生白光，目前已实现批量生产。

54．LED光源取代传统光源从目前来看还需克服哪些障碍和基本技术关键？

需克服哪些障碍和基本技术关键主要有以下几个方面：

⑴发光效率障碍

LED发出的光由于具有单色性，不需外加彩膜（滤光片），而白炽灯加彩膜后其有效发光效率仅为白炽灯原来光效的1/10，所以LED在交通灯、建筑装饰、汽车警灯等应用领域，由于其效率高、节省电能被广泛使用，正在逐步取代带彩色膜的白炽灯。

然而照明光源多为白光，目前白光LED用于局部照明，节能效果有限。

只有白光LED的发光效率远高于荧光灯达到150-200lm/W才会有明显的节能效果，因此LED光源取代传统光源的最大障碍是其发光效率。

⑵价格障碍

价格是LED光源取代传统光源需克服的另一障碍。

目前LED光源的价格每流明高于0.1美元，是白炽灯价格的100多倍。

美国Lumileds公司提出，在未来的几年内争取降至0.01-0.02美元/lm，即约折合人民币0.1元/lm，1支相当60W白炽灯的LED光源仍需支付60元人民币，计入性能价格比，虽然会被特殊应用所接受，但LED作为普通光源进入家庭，这样的价格还是一大障碍。

⑶功率LED制作技术

功率LED是实现白光照明取代传统照明光源的关键器件，其基本的关键技术包括：

●提高外延片内量子效率

优化外延片结构，改进外延生长工艺条件，使蓝光、紫光、紫外光外延片的内量子效率能够接近理论值95%。

●提高大尺寸芯片的外量子效率

为了获得较大光能量需要采用大尺寸的功率型芯片，通过设计新型芯片结构和采用新工艺（如芯片倒装结构、ITO电极、表面粗化工艺、表面纹理结构、晶片键合工艺等），使蓝光、紫光、紫外光芯片的外量子效率达到50%以上。

●提高封装的取光效率

优化和改进封装的光学、热学和可靠性设计和工艺（如反射杯、透镜、散热通路、共晶焊接、柔性胶灌封等），使封装的取光效率能够与芯片的外量子效率接近。

⑷荧光粉的制作和涂敷技术

●高性能荧光粉的制造技术

荧光粉是LED实现白光照明的关键材料，需要尽快研制出效率高、显色性好、性能稳定的荧光粉。

蓝光激发的黄色荧光粉目前虽能满足白光LED产品的要求，但还需提高效率、降低粒度，制备出球形的荧光粉；

在“蓝光+绿色荧光粉+红色荧光粉”的结构中，红色荧光粉的效率需要有较大的提高；

在“紫外和紫外LED+三基色荧光粉”的结构中，三种荧光粉都需要有较大的提高，其中红色荧光粉目前效率最低，还有待于找到一种效率足够高的材料。

●荧光粉的涂敷工艺技术

荧光粉的涂敷工艺通常是将荧光粉用胶按一定比例调和成荧光胶，再用点胶机将其涂到LED芯片上，通过优化工艺参数如荧光粉与胶的配比、荧光粉激发波长与LED芯片峰值波长的匹配、荧光胶的流动性及涂敷厚度等，使白光LED的色温、显色指数、流明效率等参数受控，作出符合应用要求和一致性好的白光LED产品。

55．白光LED的光谱与单色光（红、黄、蓝、紫等）的光谱有些什么区别？

单色光的光谱为单一波峰，特性是以峰值波长（或主波长）及光谱半宽度来表示的，而白光LED的光谱由多种（红、绿、蓝）单色光谱合成，其光谱曲线显现出多个不同幅度的波峰，其特性是以色度图中色坐标的色温来表示，这就是二者的区别，如图55-1和图55-2