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LED知识
LED知识一百问
1、光的本质是什么，物体发光有哪几种方式？
光是一种能量的形态，它可以从一个物体传播到另一个物体，其中无需任何物质作媒介。
通常将这种能量的传递方式谓之辐射，其含义是能量从能源出发沿直线（在同一介质内）向四面八方传播。
关于光的本质，早在十七世纪中叶就被牛顿与麦克斯韦分别以“微粒说”、“波动说”进行了详细探讨，并成为当前所公论的光具有“波粒二重性”的理论基础。
约100多年前，人们又进一步证实了光是一种电磁波，更严格地说，在极为宽、阔的电磁波谱大家族中。
可见光的光波只占有很小的空间，如表1-1所示。
其波长范围处在380nm-770nm
表1-1：
电磁波谱波长区域
电磁波谱种类
波长范围
nm
μm
cm
M
长波振荡
＞105
无线电波
1—105
微波
10-1—102
红外线
0.77—103
可见光
380—770
紫外线
10—390
X射线
10-3—50
r射线
10-5—10-1
宇宙射线
＜10-5
*lm=102cm=106μm=109nm
之间，包含了人眼可辩别的紫、靛、蓝、绿、橙、红七种颜色，它的长波方向是波长范围在微米量级至几十千米的红外线、微波及无线电波区域；它的短波端是紫外线、x射线、r射线，其中r射线的波长已小到可与原子直径相比拟。
物体的发光方式通常可分成二类，即热光与冷光。
所谓热光又称之谓热辐射，是指物质在高温下发出的热。
在热辐射的过程中，它内部的能量并不改变，通过加热使辐射得以进行下去，低温时辐射红外光、高温时变成白光。
众所周知，当钨丝在真空式惰性气氛中加热至很高的温度，即会发出灼眼的白光。
其实，太阳光就是一种最为常见的白光，三棱镜可将太阳光分解成上述的七种颜色，实验已证明，只要采用其中的蓝、绿、红三种颜色，即可合成自然界中所有色彩，包括白色的光，我们通常将蓝、绿、红三种颜色称之为三原色。
冷光是从某种能源在较低温度时所发出的光。
发冷光时，某个原子的一个电子受外力作用从基态激发到较高的能态。
由于这种状态是不稳定的，该电子通常以光的形式将能量释放出来，回到基态。
由于这种发光过程不伴随物体的加热，因此将这种形式的光称之为冷光。
按物质的种类与激发的方式不同，冷光可分为各种生物发光、化学发光、光致发光、阴极射线发光、场致发光、电致发光等多种类别。
萤火虫、荧光粉、日光灯、EL发光、LED发光等均是一些典型的冷光光源。
2、何谓电致发光？
半导体发光为何属冷光？
所谓电致发光是一种直接电能转换成光能的过程。
这种发光不存在尤如白炽灯那样先将电能转变成热能，继而使物体温度升高而发光的现象，故将这种光称之为冷光。
通常有二种电致发光现象，EL屏是利用固体在电场作用下的发光现象所制成的光源，荧光材料在电场作用下，导带中的电子被加速到足够高的能量并撞击发光中心，使发光中心激发或电离，激活的发光中心回到基态或与电子复合而发光，荧光材料（ZnS）中不同的激活剂决定了发光的颜色。
第二类电致发光又称之为注入式场致发光，LED与LD就属于这类发光过程。
电致发光实际上也是一种能量的变换与转移的过程。
电场的作用使系统受到激发，将电子由低能态跃迁到高能态，当他们从高能态回到低能态时，根据能量守衡原理，多余的能量将以光的形式释放出来，这就是电致激发发光。
发光波长取决于电子的能量差：
△E=hν=h·c/λ=1.24λ（2-1）
其中△E=E1—E2，E是发射光子所具有的能量，以电子伏特为单位。
λ为光子波长，以毫微
米为单位。
由式（2-1）可知，激发电子的能量差△E越高，所发出的电子波长就越短，颜色发生蓝移，所之，激发电子能量差变小，所发光子的波长就会红移。
4、简单介绍一下LED的发展历史好吗？
半导体P-N结发光现象的发现，可追溯到上世纪二十年代。
法国科学家O.W.Lossow在研究SiC检波器时，首先观察到了这种发光现象。
由于当时在材料制备、器件工艺技术上的限制，这一重要发现没有被迅速利用。
直至四十年后，随着Ⅲ-Ⅴ族材料与器件工艺的进步，人们终于研制成功了具有实用价值的发射红光的GaAsP发光二级管，并被GE公司大量生产用作仪器表指示。
此后，由于GaAs、Gap等材料研究与器件工艺的进一步发展，除深红色的LED外，包括橙、黄、黄绿等各种色光的LED器件也大量涌现于市场。
出于多种原因，Gap、GaAsP等LED器件的发光效率很低，光强通常在10mcd以下，只能用作室内显示之用。
虽然AlGaAs材料进入间接跃进型区域，发光效率迅速下降。
跟随着半导体材料及器件工艺的进步，特别是MOCVD等外延工艺的日益成熟，至上世纪九十年代初，日本日亚化学公司（Nichia）与美国的克雷（Cree）公司通过MOCVD技术分别在蓝宝石与SiC衬底上生长成功了具有器件结构的GaN基LED外延片，并制造了亮度很高的蓝、绿及紫光LED器件。
超高亮度LED器件的出现，为LED应用领域的拓展开辟了极为绚丽的前景。
首先是亮度提高使LED器件的应用于从室内走向室外。
即使在很强的阳光下，这类cd级的LED管仍能熠熠发亮，色彩斑斓。
目前已大量应用于室外大屏幕显示、汽车状态指示、交通信号灯、LCD背光与通用照明领域。
超高亮LED的第二个特征是发光波长的扩展，InGaAlP器件的出现使发光波段向短波扩展到570nm的黄绿光区域，而GaN基器件更使发光波长短扩至绿、蓝、紫波段。
如此，LED器件不但使世界变得多彩，更有意义的是使固态白色照明光源的制造成为可能。
与常规光源相比，LED器件是冷光源，具有很长的寿命与很小的功耗。
其次，LED器件还具有体积小，坚固耐用，工作电压低，响应快，便于与计算机相联等优点。
统计表明，在二十世纪的最后五年内，高亮LED产品的应用市场一直保持着40%以上的增长率。
随着世界经济的复苏以及白色照明光源项目的启动，相信LED的生产与应用会迎来一个更大的高潮。
5、请问照明光源的基本种类与主要性能有哪些？
1）照明光源种类
当代照明光源可分成白炽灯，气体放电灯、固态光源三大类。
其详细分类如表5-1所示
2）主要光源的技术指标（表5-1）
光源种类
光效（lm/w）
显色指数（Ra）
色温（K）
平均寿命（G）
白炽灯
15
100
2800
1000
卤钨灯
25
100
3000
2000-5000
普通荧光灯
70
70
全系列
10000
三基色荧光灯
93
80-98
全系列
12000
紧奏型荧光灯
60
85
全系列
8000
高压汞灯
50
45
3300-4300
6000
金属卤灯物灯
75-95
65-92
3000/4500/5600
6000-20000
高压钠灯
100-120
23/60/85
1950/2200/2500
24000
低压钠灯
200
85
1750
28000
高频无极灯
50-70
85
3000-4000
40000-80000
固体白灯
20
75
5000-10000
100000
6、如何描述LED的基本特性？
LED作为一个电致发光的P-N结器件，其特性可通该P-N结的电学参数，以及作为一个
发光器件的光学参数来进行描述。
伏安特性是描述一个P-N结器件的重要参数，它是P-N结性能，P-N结制作工艺优劣的
重要标识。
所谓伏安特性，即是流过P-N结的电流随电压变化的特性，在示波器上能十分形象地展示这种变化。
一根完整的伏安曲线包括正向特性与反向特性。
通常，反向特性曲线变化较为陡峭，当电压超过某个阈值时，电流会出现指数式上升。
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。
7、传统光源相比，LED光源有哪些优点？
LED作为一个发光器件，之所以备受人们关注，是有其较其他发光器件优越的方面，归
纳起来LED有下列一些优点：
（1） 工作寿命长：
LED作为一种导体固体发光器件，较之其他发光器具有更长的工作
寿命。
其亮度半衰期通常可达到十万小时。
如用LED替代传统的汽车用灯，那么它的寿命将远大于汽车本体的寿命，具有终身不用修理与更换的特点。
（2） 耗电低：
LED是一种低压工作器件，因此在同等亮度下，耗电最小，可大量降低
能耗。
相反，随着今后工艺和材料的发展，将具有更高的发光效率。
人们作过计算，假如日本的照明灯具全部用LED替代，则可减少二座大型电厂，从而对环境保护十分有利。
（3） 响应时间快：
LED一般可在几十毫秒（ns）内响应，因此是一种告诉器件，这也
是其他光源望尘莫及的。
采用LED制作汽车的高位刹车灯在高速状态下，大提高了汽车的安全性
（4） 体积小，重量轻、耐抗击：
这是半导体固体器件的固有特点。
彩LED可制作各类
清晰精致的显示器件。
（5） 易于调光、调色、可控性大：
LED作为一种发光器件，可以通过流过电流的变化
控制亮度，也可通过不同波长LED的配置实现色彩的变化与调节。
因此用LED组成的光源或显示屏，易于通过电子控制来达到各种应用的需要，与IC电脑在兼容性无比毫困难。
另外，LED光源的应用原则上不受窨的限制，可塑性极强，可以任意延伸，实现积木式拼装。
目前大屏幕的彩色显示屏非LED莫属。
（6）用LED制作的光源不存在诸如水银、铅等环境污染物，不会污染环境。
因此人们将LED光源称为“绿色”光源是受之无愧的。
9、何谓绿色照明光源？
它有哪些特点？
所谓绿色照明光源就是指通过科学的照明设计，具有效率高、寿命长、安全和性能稳定
的照明电器产品（包括电光源、灯用电器附件、灯具配线器材、以及调光控制器和控光器件）。
通过绿色照明光源的使用，改善与提高人们工作、学习、生活的条件和质量，从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境，并充分体现现代文明的照明环境。
1991年1月，美国环保局（EPA）首先提出实施“绿色照明（Greenlighting）”和推出“绿色照明工程（Greenlightingprogram）”的概念，并很快得到联合国的支持和许多发达国家的重视，并积极采取相应的政策和技术措施，推进绿色照明工程的实施和发展。
1993年11月我国国家经贸委开始启动中国绿色照明工程事半功倍于1996年正式列入国家计划。
节能与环保是我国经济发展的二项基本要素。
据最新统计，我国照明年用电达2000亿度，
占总发电量的12%，约为2个半三峡满负荷的发电量。
如能用高效固态白光光源替代部分目前的通用电光源，特别是白炽灯，就可节省下一半约10000亿度的电量。
另外有资料显示，直接燃烧一吨煤将向空中排放上百公斤的SO2、NO2、粉尘与CO2，将会大面积破坏大气与气候环境，采用固态光源替代通用照明光源后，就可使我国减小数亿吨级的大气污染，有效地保护地球的生态环境。
10、为什么说21世纪将迎来照明产业自爱迪生发明白炽灯以来又一次产业革命？
目前市场上流行的照明器材，无论是白炽灯还是荧光灯，或是气体放电灯，均为真空或充气状态的玻壳制品。
而固态白光是一种纯固体的白色发光源，这种光源由半导体材料制成，又称之为半导体白光器件，或是LED发光器件。
高亮LED的出现特别是GaN基蓝绿色LED的崛起使LED的用途发生了革命性的变革——从指示灯转向了照明。
上世纪末的白色LED的发明，使用权人类的照明产业进入了一个崭新的时期。
由于人类照明革命的巨大市场与对人类生存及发展的无限意义，可以毫不夸张地认为，即将发生的照明革命，其意义与深远影响绝不来于上二个世纪发生的二次技术革命（蒸汽机时代与微电子时代）。
二十一世纪让我们进入了一个固体照明的新时代。
科学家预言，二十一世纪将是微电子和光电子协同作战，共同发挥作用的时代。
微电子和光电子是信息技术赖于迅猛发展的二个轮子，缺一不可。
而固态照明正是二十一世纪科技进步的最新成果。
半导体照明的早日实现将使用权长达120多年的从爱迪生发明白炽灯开始的传统照明时代划上圆满的句号。
这不但是人类照明历年与照明技术的巨大革命，更会对人类生活的改善带来革命性的推动作用，是对人类进步过程的一个巨大贡献。
由于LED在照明方面的发展潜力，一些先进国家与地区对LED的发展制定了国家级的发展计划。
日本从1998年开始实施“21世纪光计划”，预计2010年白光LED的发光效率达到120lm/w，到2020年希望能取代50%的白炽灯及全部荧光灯。
美国也投入5亿美元巨资，启动“下一代照明光源计划”，旨在未来400亿美元的照明光源市场的竞争中能领先于日本，欧洲与韩国，打算到2020年使用LED的发光效率达到200lm/w，远远超过目前各类传统照明光源的效率。
预测到2010年，美国将有55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯所替代，每年可节电350亿美元。
此外，韩国、西欧、台湾与中国大陆都在紧锣密鼓启动各自的“半导体照明计划”。
如同晶体管替代电子管一样，半导体灯替代传统照明光源的浪潮，必将汹涌澎湃，势如破竹，成为二十一世纪的大势所趋，无可阴挡。
面对半导体照明市场的巨大诱惑，世界三大照明工业巨头，通用电气、飞利浦、欧司朗等大公司纷纷与半导体公司合作成立半导体照明企业，一场抢占半导体照明新兴产业制高点的争夺战已经在全球打响。
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
外延材料检验
清洗
镀膜
光刻
合金
入库
包装
检测
切割
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
正面电极
背面电极
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
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