LED基础知识文档格式.docx
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1Lux（勒克司）指1L的光通量均匀地分布在1平方米面积上的照度。
一般主动发光体采用发光强度单位烛光 CD，如白炽灯、LED等；
反射或穿透型的物体采用光通量单位流明L，如LCD投影机等；
而照度单位勒克司Lux，一般用于摄影等领域。
三种衡量单位在数值上是等效的，但需要从不同的角度去理解。
比如：
如果说一部LCD投影机的亮度（光通量）为1600流明，其投影到全反射屏幕的尺寸为60英寸（1平方米），则其照度为1600勒克司，假设其出光口距光源1厘米，出光口面积为1平方厘米，则出光口的发光强度为1600CD。
而真正的LCD投影机由于光传播的损耗、反射或透光膜的损耗和光线分布不均匀，亮度将大打折扣，一般有50％的效率就很好了。
实际使用中，光强计算常常采用比较容易测绘的数据单位或变向使用。
对于LED显示屏这种主动发光体一般采用CD／平方米作为发光强度单位，并配合观察角度为辅助参数，其等效于屏体表面的照度单位勒克司；
将此数值与屏体有效显示面积相乘，得到整个屏体的在最佳视角上的发光强度，假设屏体中每个像素的发光强度在相应空间内恒定，则此数值可被认为也是整个屏体的光通量。
一般室外LED显示屏须达到4000CD／平方米以上的亮度才可在日光下有比较理想的显示效果。
普通室内LED，最大亮度在700～2000CD／平方米左右。
单个LED的发光强度以CD为单位，同时配有视角参数，发光强度与LED的色彩没有关系。
单管的发光强度从几个mCD到五千mCD不等。
LED生产厂商所给出的发光强度指LED在20mA电流下点亮，最佳视角上及中心位置上发光强度最大的点。
封装LED时顶部透镜的形状和LED芯片距顶部透镜的位置决定了LED视角和光强分布。
一般来说相同的LED视角越大，最大发光强度越小，但在整个立体半球面上累计的光通量不变。
当多个LED较紧密规则排放，其发光球面相互叠加，导致整个发光平面发光强度分布比较均匀。
在计算显示屏发光强度时，需根据LED视角和LED的排放密度，将厂商提供的最大点发光强度值乘以30％～90％不等，作为单管平均发光强度。
一般LED的发光寿命很长，生产厂家一般都标明为100,000小时以上，实际还应注意LED的亮度衰减周期，如大部分用于汽车尾灯的UR红管点亮十几至几十小时后，亮度就只有原来的一半了。
亮度衰减周期与LED生产的材料工艺有很大关系，一般在经济条件许可的情况下应选用亮度衰减较缓慢的四元素LED。
配色、白平衡：
白色是红绿蓝三色按亮度比例混合而成，当光线中绿色的亮度为69%，红色的亮度为21％，蓝色的亮度为10％时，混色后人眼感觉到的是纯白色。
但LED红绿蓝三色的色品坐标因工艺过程等原因无法达到全色谱的效果，而控制原色包括有偏差的原色的亮度得到白色光，称为配色。
当为全彩色LED显示屏进行配色前，为了达到最佳亮度和最低的成本，应尽量选择三原色发光强度成大致为3:
6:
1比例的LED器件组成像素。
白平衡要求三种原色在相同的调灰值下合成的仍旧为纯正的白色。
LED专业术语解释
（一）:
色温
以绝对温度K来表示，即将一标准黑体加热，温度升高到一定程度时颜色开始由深红-浅红-橙黄-白-蓝，逐渐改变，某光源与黑体的颜色相同时，我们将黑体当时的绝对温度称为该光源之色温。
因相关色温度事实上是以黑体辐射接近光源光色时，对该光源光色表现的评价值，并非一种精确的颜色对比，故具相同色温值的二光源，可能在光色外观上仍有些许差异。
仅冯色温无法了解光源对物体的显色能力，或在该光源下物体颜色的再现如何。
不同光源环境的相关色温度。
光源
色温
北方晴空8000-8500k阴天6500-7500k夏日正午阳光5500k金属卤化物灯4000-4600k下午日光4000k冷色营光灯4000-5000k高压汞灯3450-3750k暖色营光灯2500-3000k卤素灯3000k钨丝灯2700k高压钠灯1950-2250k蜡烛光2000k光源色温不同，光色也不同：
∙色温在3300K以下，光色偏红给以温暖的感觉；
有稳重的气氛，温暖的感觉；
∙色温在3000--6000K为中间，人在此色调下无特别明显的视觉心理效果，有爽快的感觉；
故称为"
中性"
色温；
∙色温超过6000K，光色偏蓝，给人以清冷的感觉。
a.色温与亮度高色温光源照射下，如亮度不高则给人们有一种阴气的气氛；
低色温光源照射下，亮度过高会给人们有一种闷热感觉。
b.光色的对比在同一空间使用两种光色差很大的光源，其对比将会出现层次效果，光色对比大时，在获得亮度层次的同时，又可获得光色的层次。
∙采用低鹿庠凑丈洌苁购焐恃蓿?
∙采用中色温光源照射，使蓝色具有清凉感；
∙采用高色温光源照射，使物体有冷的感觉。
LED专业术语解释
（二）:
显色性
光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色逼真的程度；
光源的显色性是由显色指数来表明，它表示物体在光下颜色比基准光（太阳光）照明时颜色的偏离，能较全面反映光源的颜色特性。
显色性高的光源对颜色表现较好，我们所见到的颜色也就接近自然色，显色性低的光源对颜色表现较差，我们所见到的颜色偏差也较大。
国际照明委员会CIE把太阳的显色指数定为100，各类光源的显色指数各不相同，如：
高压钠灯显色指数Ra=23，荧光灯管显色指数Ra=60~90。
显色分两种：
1.忠实显色：
能正确表现物质本来的颜色需使用显色指数（Ra）高的光源，其数值接近100，显色性最好。
2.效果显色：
要鲜明地强调特定色彩，表现美的生活可以利用加色法来加强显色效果。
第十讲LED分选
人眼对于光的颜色及亮度的分辨率非常高，特别是对于颜色的差异和变化非常敏感。
图2-14所示的是人眼对颜色变化的敏感曲线。
从图中可以看出对于不同颜色波长的光人眼的敏感度是不同的。
例如，对于波长为585nm的光，当颜色变化大于1nm时，人眼就可以感觉到。
而对于波长为650nm的红光，当颜色变化在3nm的时候，人眼才能察觉到。
对于波长为465nm的蓝光和525nm的绿光，人眼的分辨率分别为～2nm和～3nm。
图2-14人眼的平均颜色敏感度曲线
在早期，由于LED主要被作用指示或显示灯用，而且一般以单个器件出现，所以对于其波长的分选和亮度的控制要求并不高。
可是随着LED的效率和亮度的不断提高，其应用范围越来越广。
当LED作为阵列显示和屏幕元件时，由于人眼对于颜色波长和亮度的敏感性，用没有分选过的LED就产生了不均匀的现象，就而影响到人们的视觉效果。
不论是波长不均匀或是光亮度的不均匀都会给人产生不舒服的感觉。
这是各LED显示器制造厂家不愿看到的，也是人们无法接受的。
LED的分选不可能将光学、电学特性和寿命及可靠性等所有参数都做，而是按照通常大家所关心的几个关键参数进行分类分选。
这些关键参数有：
主波长、发光强度、光通量、色温、工作电压、反向击穿电压等。
LED的测试与分选是LED供应商的一项必要的工序。
而且目前它是许多LED芯片厂商的产能瓶颈，也是LED芯片成本的一个重要来源。
在外延片的均匀度得到控制以前，比较行之有效的方法是解决快速低成本的芯片分选问题。
（1）LED的分选方法：
LED的分选有两种方法进行：
一是以芯片为基础的测试分选，二是对封装后的LED管子进行分选。
1）以LED管子的形式进行分选：
封装好的LED管子可以按照波长、发光强度、发光角度以及工作电压等分类。
其结果是把LED分成很多档次和类别，然后测试分选机会自动地根据设定把LED分装在不同的Bin内。
由于人们对于LED的要求越来越严，早期的分选机是32Bin后来增加到64Bin。
现在已有72Bin的商用分选机。
即使这样，分Bin的数量仍然无法满足生产和市场的需求。
LED测试分选机，如图2-15所示，是在一个特定的电流下，比如20mA，对于LED进行测试。
一般还会做一个反向电压值的测试。
现在商业的测试分选机大概在40－50万人民币一台，其测试速度在每小时10000只左右。
如果按照每月20天，每天20小时的工作时间计算，每一台分选机的产能为每月4KK。
对于LED封装厂来说，如果他们的客户是用在大型显示屏上或是其它高档应用上，他们对LED的质量就会有较高的要求。
特别是在波长与亮度的一致性上的要求会很严格。
假如LED封装厂在采购芯片上没有提出严格的要求，则这些封装厂在做了大量的封装后会发现，他们还是无法提供足够多的LED给他们的客户。
因为在他们已封装好的LED中很少的数量能满足某一客户的要求。
当封装厂把他们其中的一少部分提供给其中的一个客户后，其余大部分变成为放在仓库里的存货。
这种情形迫使LED封装厂在采购LED芯片时提出严格的要求，特别是对波长、亮度和工作电压的指标。
比如，过去人们的波长要求是±
2nm，而现在则要求为±
1nm，甚至在某些应用上，人们已提出±
0.5nm的要求。
这样对于芯片厂就产生了巨大的压力，因为他们在卖芯片时必须进行严格的分选。
2）以芯片的形式分选
相比较封装好的LED，芯片分选的难度很大，主要的原因是LED的芯片一般都很小，从9mil—14mil（0.22mm—0.35mm）的尺寸。
这样小的芯片在抓放的过程中需要比较精确的机械和图像识别系统，而测试则需要微探针才能够完成。
这使得设备的造价变得较高，而且测试速度受到限制。
目前典型的芯片分选测试系统，平均每台在100万元左右，而每小时的分选数量大约为2000个左右。
这使得芯片分选测试的产能每月不到1KK。
这与封装好的LED的分选相比显得既昂贵又缓慢，性价比很低。
目前芯片的分选有两种方法：
一是测试分选由同一台机器完成，它的优点是可靠，但速度太慢，产能太低。
另一种是测试与分选由两台机器完成。
一台设备，如图2-16所示，专门用于测试，并记录下每个芯片的位置及参数，然后把这些数据传递到另一台专门用于分选的设备上，进行快速分选。
这样做的优点是快速，但它的缺点是可靠性比较低，容易出现差错。
因为在测试与分选两个步骤之间通常还有衬底减薄和芯片分离的工艺过程，而在这个过程中，外延片有可能碎裂或局部残缺。
碎裂或局部残缺的片子使得实际的芯片分布与储存在分选机里的数据不符，这样会造成分选困难。
从以上的讨论可以看出，芯片分选的成本高，产能比较低。
一台6片的MOCVD需要大约5台测试分选机与之配套，仅初期设备上的投资就需60万美元。
从根本上解决分选瓶颈问题的关键是改善外延片的均匀性。
如果一片外延片上它的波长分布在2nm之内，亮度的变化在±
15％之内，则我们可以将这个片子上的所有芯片归为一个Bin，只要通过测试把不合格的芯片去除就可以了。
这样做将大大增加芯片的产能和降低芯片的成本。
当然，在均匀性不是很好的情况下，人们也可以用测试并把“不合格”的芯片用喷墨涂抹的方式处理掉，从而快速地得到想要的“合格”芯片。
但这样做的成本太高，把很多符合其他客户要求的芯片都做为不合格的废品处理了。
最后核算出的成本可能是市场无法接受的水平。
从以上关于LED管子与芯片分选的比较中可以看出，比较经济的做法是对LED管子进行分选。
但是由于LED管子的种类繁多，从不同的形式到不同的形状，从不同的直径到不同的发光角度，不同的客户有不同的要求，不同的应用有不同的要求，这使得全部在LED管子上进行分选变得很难操作，不太现实。
况且目前LED的应用主要分布在几个波长段和亮度段的范围，一个封装厂很难准备各种各样的客户和需求能消化掉所有的各种形式和种类的LED。
比较实际的做法还是购买客户所需要的芯片来封装成所需要的LED管子。
所以问题的关键又回到了MOCVD的外延工艺过程。
如何生长出所需波长及亮度的LED外延片是降低成本的关键点，这个问题不解决，LED的产能及成本仍将是一个不能完全解决的问题。
（2）分选设备
目前，LED芯片的分选设备主要由美国和日本厂商提供，而LED管子的分选机大多由台湾厂商提供，大陆还没有可提供类似设备的厂家。
LED芯片分选机主要包括两大硬件部分和一套系统软件。
硬件部分：
一是机器手，另一部分是微探针和光电测试仪。
而这
第九讲LED外延片--外延工艺
由LED工作原理可知，外延材料是LED的核心部分，事实上，LED的波长、亮度、正向电压等主要光电参数基本上取决于外延材料。
发光二极管对外延片的技术主要有以下四条：
∙①禁带宽度适合。
∙②可获得电导率高的P型和N型材料。
∙③可获得完整性好的优质晶体。
∙④发光复合几率大。
外延技术与设备是外延片制造技术的关键所在，金属有机物化学气相淀积（Metal-OrganicChemicalVaporDeposition，简称MOCVD）技术生长III-V族，II-VI族化合物及合金的薄层单晶的主要方法。
II、III族金属有机化合物通常为甲基或乙基化合物，如：
Ga（CH3）3，In（CH3）3，Al（CH3）3，Ga（C2H5）3，Zn（C2H5）3等，它们大多数是高蒸汽压的液体或固体。
用氢气或氮气作为载气，通入液体中携带出蒸汽，与V族的氢化物（如NH3，PH3，AsH3）混合，再通入反应室，在加热的衬底表面发生反应，外延生长化合物晶体薄膜。
MOCVD具有以下优点：
1.用来生长化合物晶体的各组份和掺杂剂都可以以气态方式通入反应室中，可以通过控制各种气体的流量来控制外延层的组分，导电类型，载流子浓度，厚度等特性。
2.因有抽气装置，反应室中气体流速快，对于异质外延时，反应气体切换很快，可以得到陡峭的界面。
3.外延发生在加热的衬底的表面上，通过监控衬底的温度可以控制反应过程。
4.在一定条件下，外延层的生长速度与金属有机源的供应量成正比。
MOCVD及相关设备技术发展现状：
MOCVD技术自二十世纪六十年代首先提出以来，经过七十至八十年代的发展，九十年代已经成为砷化镓、磷化铟等光电子材料外延片制备的核心生长技术。
目前已经在砷化镓、磷化铟等光电子材料生产中得到广泛应用。
日本科学家Nakamura将MOCVD应用氮化镓材料制备，利用他自己研制的MOCVD设备（一种非常特殊的反应室结构），于1994年首先生产出高亮度蓝光和绿光发光二极管，1998年实现了室温下连续激射10,000小时，取得了划时代的进展。
到目前为止，MOCVD是制备氮化镓发光二极管和激光器外延片的主流方法，从生长的氮化镓外延片和器件的性能以及生产成本等主要指标来看，还没有其它方法能与之相比。
国际上MOCVD设备制造商主要有三家：
德国的AIXTRON公司、美国的EMCORE公司（Veeco）、英国的ThomasSwan公司（目前ThomasSwan公司被AIXTRON公司收购），这三家公司产品的主要区别在于反应室。
这些公司生产MOCVD设备都有较长的历史，但对氮化镓基材料而言，由于材料本身研究时间不长，对材料生长的一些物理化学过程还有待认识，因此目前对适合氮化镓基材料的MOCVD设备还在完善和发展之中。
国际上这些设备商也只是1994年以后才开始生产适合氮化镓的MOCVD设备。
目前生产氮化镓中最大MOCVD设备一次生长24片（AIXTRON公司产品）。
国际上对氮化镓研究得最成功的单位是日本日亚公司和丰田合成，恰恰这些公司不出售氮化镓生产的MOCVD设备。
日本酸素公司生产的氮化镓-MOCVD设备性能优良，但该公司的设备只在日本出售。
MOCVD设备的发展趋势：
1.研制大型化的MOCVD设备。
为了满足大规模生产的要求，MOCVD设备更大型化。
目前一次生产24片2英寸外延片的设备已经有商品出售，以后将会生产更大规模的设备，不过这些设备一般只能生产中低档产品；
2.研制有自己特色的专用MOCVD设备。
这些设备一般只能一次生产1片2英寸外延片，但其外延片质量很高。
目前高档产品主要由这些设备生产，不过这些设备一般不出售。
1）InGaAlP
四元系InGaAlP化合物半导体是制造红色和黄色超高亮度发光二极管的最佳材料，InGaAlP外延片制造的LED发光波段处在550～650nm之间，这一发光波段范围内，外延层的晶格常数能够与GaAs衬底完善地匹配，这是稳定批量生产超高亮度LED外延材料的重要前提。
AlGaInP超高亮度LED采用了MOCVD的外延生长技术和多量子阱结构，波长625nm附近其外延片的内量子效率可达到100%，已接近极限。
目前MOCVD生长InGaAlP外延片技术已相当成熟。
InGaAlP外延生长的基本原理是，在一块加热至适当温度的GaAs衬底基片上，气态物质In,Ga,Al,P有控制的输送到GaAs衬底表面，生长出具有特定组分，特定厚度，特定电学和光学参数的半导体薄膜外延材料。
III族与V族的源物质分别为TMGa、TEGa、TMIn、TMAl、PH3与AsH3。
通过掺Si或掺Te以及掺Mg或掺Zn生长N型与P型薄膜材料。
对于InGaAlP薄膜材料生长，所选用的III族元素流量通常为（1-5）×
10-5克分子，V族元素的流量为（1-2）×
10-3克分子。
为获得合适的长晶速度及优良的晶体结构，衬底旋转速度和长晶温度的优化与匹配至关重要。
细致调节生长腔体内的热场分布，将有利于获得均匀分布的组分与厚度，进而提高了外延材料光电性能的一致性。
2）lGaInN
氮化物半导体是制备白光LED的基石，GaN基LED外延片和芯片技术，是白光LED的核心技术，被称之为半导体照明的发动机。
因此，为了获得高质量的LED，降低位错等缺陷密度，提高晶体质量，是半导体照明技术开发的核心。
GaN外延片的主要生长方法：
GaN外延片产业化方面广泛使用的两步生长法，工艺简述如下：
由于GaN和常用的衬底材料的晶格失配度大，为了获得晶体质量较好的GaN外延层，一般采用两步生长工艺。
首先在较低的温度下（500～600℃）生长一层很薄的GaN和AIN作为缓冲层，再将温度调整到较高值生长GaN外延层。
Akasaki首先以AIN作为缓冲层生长得到了高质量的GaN晶体。
AlN能与GaN较好匹配，而和蓝宝石衬底匹配不好，但由于它很薄，低温沉积的无定型性质，会在高温生长GaN外延层时成为结晶体。
随后Nakamura发现以GaN为缓冲层可以得到更高质量的GaN晶体。
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