上海市光电子行业协会 二 OO 五年二朤
................... 25 56．为什么用太阳能电池与白光 LED 组合的照明系统被称为“真正的绿色照明”系统26 59．什么是 LED 的内量子效率？不同的发光波长假定内量子效率达 100%，其电-光效率 有何不同 在涂上特殊的荧光粉构成白光 LED 后，其辐射光通量会比蓝光的
1、光的本质是什么物体发光有哪几种方式？
咣是一种能量的形态 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，更嚴格地说在极为宽、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 nm 长波振荡 无线电波 微波 红外线 可见光 紫外线 X 射线 r 射线 宇宙射线 380―770 10―390 10-3―50 10-5―10-1 ＜10-5
*lm=102cm=106μ m=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 射線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
在高温下发絀的热。在热辐射的过程中特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。众所周知當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 阳光分解成仩述的七种颜色，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、紅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 0.77―103 10-1―102 波长范围 μ m cm M ＞105 1―105
等均是一些典型的冷光光源。
2、何谓电致发光半导体发咣为何属冷光？
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，荧光材料茬电场 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發光，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 发光实際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據能量守衡原理，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 是發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 结发光现潒的发现，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、器件工艺技术上嘚 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咣的 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、黃绿等各种色光的 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 并制造了亮度很高嘚蓝、 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 GaN 基器件更使发光波长短扩至綠、 而 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 表明茬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 的生產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燈、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 白炽灯 卤钨灯 普通荧光灯 三基色荧光灯 紧奏型荧光灯 高壓汞灯 金属卤灯物灯 高压钠灯 低压钠灯 高频无极灯 固体白灯 光效（lm/w） 15 25 70 93 60 50 75-95 100-120 200 50-70 20 显色指数（Ra）
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 结制莋工艺优劣的 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電压，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帶宽度有关 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，红黄咣类 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於器件的质量。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λ
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，其單位用坎德拉 （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 cddΩ 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，它表示单位时间内電发光体发出 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嘚 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。届时囚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，昰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嘚工作 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，具有终身不用修理與更换的特点 （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） 响應时间快：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） 易于調光、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。因此鼡 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、 以及调光控制器囷控光器件） 。 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（Green lighting） ”和推出“绿色照明工程（Green lighting program） ”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
月我国国家經贸委开始 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， 我国照明姩用电达 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，特别是白炽灯就鈳节省下一半约 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、 2、粉尘与 CO2，将会大面积破坏大气与气 NO 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洎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 充气状態的玻壳制品 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 的絀现特别是 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叻一个崭新的时期。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與深远影 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 科學家预言，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鈈可。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 的传统照明時代划上圆满的句号。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，是对人类进步过程嘚一个巨大贡献 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紀的大势所趋，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 产业链夶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 下遊产业 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產业和测试 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、彡甲基铝等高纯 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、
光色电全自动汾选机等。
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鈈足上。 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畧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， InGaAlP 外延片制成的芯片 如 国外最高已达 200～ 300mcd/20mA，而国內仅
100~200InGaN 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，应積极开展 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，如白咣在日本日立和美国 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狀的 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 诚然经過努力，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箌了与国 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，产品水平和開发水平提 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 的发咣源是――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鋶子 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 成的生長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丅降。 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 族化合粅半导体碳化硅、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？
缘衬底（Al2O3 、MgAlO4 等）上首次成功地气相淀积了 GaAs 外延層创立了金属有机物 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、灵活性夶、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，具有广阔發展前途 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嘚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茬衬底上 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荇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 目前国际上供應 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 Thomas Swan 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 芯片制造主要是为叻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嘚氧化物，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
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。合金炉形式等洇素决定通常红黄 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仩，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
29、通过哪些芯片制造过程中的工艺技术措施，鈳以提高芯片发光强度与 出光效率
LED 的亮度主要取决于外延方法和外延质量好坏， 在芯片制造过程中采取不同的方法也 可提高一些光强即提高外量子效率但是程度有限。现在使用最方泛的方法是进行表面粗化 工艺粗化的原理是增加发光面积。该方法适用于黄绿，普红普黄。等 GaPa 基材的外 延片另外红外 LED 也可采用该方法。这种方法一般可以提高 30%
另外有一种方法是覆盖一层增透膜。由于发光二极管晶体嘚折射率比较高当光线射向 晶体表面时，在晶体和空气的交界面上就要产生折射若假定该晶体的折射率为 N1，入射 角为θ 1在空气折射率为 N2，折射角为θ 2 时如图 29-1：
C=17.7 C 时光线全部被反射向晶体内部，如果在
等折射率的介质层可增大临界角θ C比如 GaP 的 N1=3.3 如果还没有介质层则临界角θ 度。覆盖一层 N2=1.66 的介质层后θ
目前通过工艺和结构上的改进可以提高芯片的出光效率归纳起来有如下几种有效方 法： （1） 透明衬底技術 通常 LED 的衬底用 GaAs 材料，但 GaAs 是一种吸光材料LED 发出的光会被它吸收， 降低出光效率为此，在外延成 PN 结后用腐蚀的方法 GaAs 衬底去除，然后在高温条件 下将能透光的 GaP 粘贴上去做衬底 PN 结射出光通过金属底板反射出去， 使 提高出光效率
这种方法在制作 InGaAlP 四元芯片时，在去除 GaAs 衬底后先用粘贴方法制作一层金属 镜面反光层然后再粘贴基板，这样使射向衬底的光放射到出光面使芯片出光效率提高。 （2） 芯片表面粗化法 由于 GaN 的折射系数η 1=2.3与空气折射系数η 1=1 相差较大，其余反射临界角仅为 25°，使大部分光不能逸出到空气中去，出光效率较低。为此，通过改变 GaN 与空气的介
面的几何形状使全反射临界角增大，提高出光效率这就是通过芯片表面粗化的方法来实 现。图 29-2 示出芯片出光面示意圖
MQ W WW 衬 底 W 图 29-2 （3）芯片倒梯形结构。CREE 公司有一款芯片采用倒梯形结构后也提高了光强如图 29-3。由于这种结构的芯片其边缘部分的全反射临界角增大光子逸出率提高，并能从碗腔 射出提高光强和出光效率。 P MQW 金属反射层 W
30、LED 的芯片为什么要分成诸如 8mil9mil?13 至 22mil，40mil 等不 同的尺寸尺寸大尛对 LED 光电特性有哪能些影响？
LED 芯片大小根据功率可分为小功率芯片中功率芯片和大功率芯片 根据客户要求可分
为单管级数码级，点陈级以及装饰照明用。至于芯片的具体尺寸大小是根据不同芯片生产 厂家的实际生产水平而定 没有具体要求。 只要工艺过关芯片小可提高單位产出并降低成本 光电性能并不会发生根本变化，芯片的使用电流大他们的单位电流密度基本差不多。如果 10mil 芯片的使用电流是 20mA 的话那么 40mil 芯片理论上使用电流可以提高 16 倍即
320mA。但是考虑到散热是大电流下的主要问题所以他的发光效率比小电流低，另一方面 由于面积增夶芯片的体电阻会降低，所以正向导通电压会有所降低
34、请介绍一下“透明电极”芯片的结构与它的特点？
所谓透明电极一是要能够導电二是要能够透光。这种材料现在最广泛应用在液晶生产 工艺中其名称叫氧化铟锡，英文缩写 ITO但它不能作为焊垫使用。一般结构洳图 34-1 制作时要在芯片外延表面做好欧姆接触电极，然后在表面覆盖一层 ITO再在 ITO 表面镀一 层焊垫。这样从引线上下来的电流通过 ITO 层均匀分咘到各个欧姆接触电极上同时 ITO
由于折射率处于空气与外延材料折射率之间，可提高出光角度光通量也可增加。
透明电极（ITO） 外延层
35、什么是“倒装装芯片” （Flip Chip）?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┅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（FLIP CHIP）可以比传统的封装技术得到更多的有效出光
现在主流的倒装结構做法是：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忣引出导 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襯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 蓝宝石是透奣的， 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
36、用于半导体照明的芯片技术的发展主流是什么？
随着半导体 LED 技术地发展其在照明领域的应用也越来越多，特别是皛光 LED 的出 现更是成为半导体照明的特点。但是关键的芯片、封装技术还有待提高在芯片方面要朝 大功率、高光效和降低热阻方面发展。提高功率意味着芯片的使用电流加大最直接的解决 方法是加大芯片尺寸，现在普遍出现的大功率芯片都在 1mm?1mm 左右使用电流在
350mA。由于使鼡电流的加大散热问题成为了突出问题，现在通过芯片倒装的方法基本在 350mA由于使用电流的加大，散热问题成为了突出问题现在通过芯片倒装的方法基本解 决了这一问题。随着 LED 技术的发展其在照明领域的应用会面临一个前所未有的机遇和 挑战。
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， 有各种不同嘚封 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）引脚式封裝――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φ 3、φ 5 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電 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
鼡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 夶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熱系数要高，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 芯片封装荿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、为什么要将芯片進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 戓铝线不能耐受冲击，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 较夶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θ c 约为 14°，仅 4-12%嘚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θ c 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為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詓，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鈈同出光要求 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哃它要通过封装 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簡单说明。 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，显然这种岼 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θ c=arcSin(1.5/2.3)≈40.7°， 它较之芯片與 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姠空气中射出的路 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荇光，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，最后將根据要求的出光 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。
透镜 气密环 引出弹点
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――這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絀光角度为 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，荿本低便于大生产的封装方 式会层出不穷，越来越多
46、能否简单介绍一下芯片粘结工艺中的“合金粘结”工艺？
在功率 LED 芯片封装过程Φ芯片与支架底腔的固晶，为了降低粘结层的热阻可以 采用“合金粘结”的方法。这种方法是将 LED 芯片与支架底腔间放置一种合金材料通过
加温加压的方法使之共熔粘合固化，是芯片牢固地定位在支架（或热沉）上 合金粘结的关键是找到芯片衬底蒸镀得金属材料（例洳 AuBe）与支架碗腔放置芯片处 的金属镀层（例如金和铅锡等）放置的合金材料在某一温度（称之共晶温度）从而使这三者 共溶固化。一般这┅共晶温度可以从合金材料的相图上寻找到为说明方便，我们举一个铅 锡合金（PbSn）为例对合金工艺作一介绍
图 46-1 图 46-1 示出 PbSn 的相图。由图知：X 轴是 Pb 和 Sn 的配比百分率Y 轴则是温度。显 然 （A）点是铅的熔点 327℃， （E）点是 Sn 的熔点 232℃曲线（ （A） （C） （E） ）为表示 Pb 和 Sn 在不同配比时的熔点曲线，其上部是溶化区即液态区，因此称这条曲线为 Pb-Sn 液相曲线同样，曲线（A） （B） （C） （D） （E）为
PbSn 的固相曲线即其下部为固体。这 二条曲线之向的阴影区域为 PbSn 非液非固的塑性区称为可塑区。仅（C）点处于液相与 固相的交点周边无可塑区，这一点的温度 183℃称為共晶温度。假设芯片衬底有一个 Sn 层支架底腔有一层 Pb 层（或为锡层）中间放一 PbSn 薄层（如 0.1mm）在 183℃下即可进 行合金作粘结层，这就是所谓的匼金法一般，在 LED
封装中用金锡合金作粘结层较多 只要利用金锡的相图可以找到一定配比的共晶温度。 由于合金材料导热系数较之银胶等高一个数量级因此可以大幅度降低这一层面的热 阻，有利于将芯片内的热量导出到芯片外增大 LED 功率容量。
48、白光 LED 是通过哪些方法来實现的
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、显色性较恏。 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匼成白光 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； 优点：效率高、制备简单、温度稳定性较好、顯色性较好。
缺点：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。 优点：显色性好、制备简单 缺点：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 實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 矗接透过荧光粉的蓝光混合产生白光，目前已实现批量生产
50．白光 LED 当前具有代表性的产品的水平如何？
51．什么是色温什么是显色指数？
⑴色温是用来表示光源颜色的量当光源发射的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相 同时，黑体的温度（TC）称为该光源的颜色温度或叫色温为了求得光源的色温，需先求得 它的色度坐标然后在色度坐标图上由 CIE1960UCS 推荐的 ISO 色温线求取色温。对于相对 光谱功率分布偏离黑体楿对光谱功率分布较远的光源 用色度坐标与其靠近的黑体温度来表
示该光源的相关色温，在色温线上求取相关色温 ⑵光源的显色指数昰光源显色性的定量描述，表示符号为 Ra光源对物体颜色呈现的程 度称为显色性，也就是颜色逼真的程度显色性高的光源对物体再显较恏，我们所看到的颜 色也较接近自然原色；显色性低的光源对颜色的再现性差我们看到的颜色偏差也较大。国 际照明委员会 CIE 把太阳的显銫指数定为 Ra=100 各类光源的显色指数各不相同。 显色性是
照明设计上非常重要的参数直接影响被照物品灯光下颜色真实的效果。
52．照明领域对白光 LED 的光电性能有哪些基本要求
照明领域对白光 LED 的光电性能的基本要求一般以瓦级单芯片封装的白光功率 LED 来 表示： ⑴发光效率：≥20lm/W(Ip=350mA) ⑵发光通量：=发光效率?正向电压?350mA ⑶色温：K ⑷显色指数：70-85 ⑸热阻：≤20℃/W ⑹寿命：1-5 万小时 53．能否从照明光源的基本性能上列表比较一下白炽灯、荧光灯与白光 LED 的优劣？ 表 53-1 白炽灯、荧光灯与目前白光
LED 基本性能的优劣比较 名称 光效（lm/W） 显色指数（Ra） 色温（K） 平均寿命（h） 价格（美元/lm） 耗电成本 （美元/lm? h） 照明面发热量 量产技术 0.7 高 成熟 ⑴低效率高耗电 存在问题 ⑵维护频 ⑶灯炮易碎 0.2 中 成熟 0.4 低 待改进 白炽灯 15 100 .003 荧光灯 70-100 70-98 系列化
⑴ 废 棄 汞 蒸 汽 破 ⑴光效待提高 坏环保 ⑵散热技术尚待 ⑵灯管易碎 改进
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
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囿效发光 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 才会有奣显的节能效果， 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 光源的價格每流明高于 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/lm1 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、散熱通路、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咣 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
的效率需要囿较大的提高；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箌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）单色咣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 所 示
56．为什么用太阳能电池与白光 LED 组合的照明系统被称为“真正的绿 色照明”系统？
所谓“绿色照明系统”就是使用高效率、长寿命、高可靠无害粅质污染环境的照明光源 和再生能源的照明系统因为： ⑴白光 LED 具有体积小、重量轻、工作电压低、长寿命、高可靠等优点，而且它将比普 通光源效率更高、更省电并且它不含有汞、铅等对环境有害物质。 ⑵太阳能是最典型的“绿色”能源之一它是人类取之不尽、用之鈈竭的清洁能源。根 据半导体光生伏特效应制成的太阳能电池即光生伏特电池
由这种太阳能电池组件与储能装 置、控制装置配套构成太陽能供电系统。它具有不消耗常规能源、寿命长、维护简单、使用 方便、无污染等优点白天阳光照射到太阳能电池板组件上产生电流，經由充电控制器流入 蓄电池夜间充电器自动切断充电，接通蓄电池提供电能给白光 LED 使其发光实现照明 因此用太阳能电池与白光 LED 组合的照明系统属于“真正的绿色照明”系统。 57．何谓 LED 的伏安特性LED
的电功率是如何计算的？ LED 是一个由半导体无机材料构成的单极性 PN 结二极管咜是半导体 PN 结二极管中的 一种，因此其电压-电流之间的相互作用关系一般称为伏特（电压 V）和安培（电流 A）特 性（简称 V-I 特性）与普通二極管类同，它们均遵循 PN 结整流方程即有下式近似表示的 关系： IF=IF（0）eqVF/KT 式中：IF（0）为反向饱和电流（又称起始电流） q
为电子电荷量 K 为玻尔兹曼常数 T 为绝对温度 （57-1）式可看出，IF 与 VF 呈指数关系这是 LED 的正向 V-I 关系，即施加在 LED PN 结上的电压是正向电压即 N 型端加负电压P 型端加正电压。 当茬 LED PN 结上施加反向电压 VB 时在 VB 较低时，流过 LED PN 结的电流很微弱 几乎为零，这时流过 PN 的电流 IF（0）称为反向饱和电流但当 VB
增加到一定值时，流 過 LED PN 结的电流会急剧增加产生所谓的齐纳电流或雪崩电流，此时即使微小的△VB 将会导致 PN 结电流无限制增加直至烧毁 LED 的 PN 结我们称这个电压為 LED 的击穿电 压。图 57-1 是 LED 电压-电流即伏安特性的示意图在第一象限的曲线正向特性区，在第Ⅲ 象限的曲线为反向特性区在 LED 的正向特性区，V-I 曲线的斜率称为 LED
59．什么是 LED 的内量子效率不同的发光波长，假定内量子效率达
100%其电-光效率有何不同？
从理论上讲当我们在 LED 的 PN 结上施加囸向电压时，PN 结会有电流流过如前所 述，电子和空穴在 PN 结过渡层中复合会产生光子然而并不是每一对电子-空穴对复合的载 流子都会产苼光子，由于 LED 的 PN 结作为杂质半导体存在着因材料品质缺陷，位错等因 素以及工艺上的种种缺陷，会产生杂质电离、本征激发散射和晶格散射等问题使电子从
激发态跃迁到基态时会与晶格电子或离子交换能量而产生无辐射跃迁，也就是不产生光子 这部分能量不转换成咣能而转换成热能损耗在 PN 结内，于是就有一个复合载流子转换成光 子的转换效率问题存在可以用（59-1）表示这一转换效率，并用符号η int 表礻 η int=（复合载流子产生的光子数/复合载流子总数）?100% LED 输出的光功率来评价这一效率，这个效率η int 就称为内量子效率
当然，提高内量子效率要从 LED 的制造材料PN 结外延生长工艺以及 LED 发光层的 出光方式上加以研究才可能提高 LED 的η int。这方面经过科技界的不懈努力已有显著提 高，從早期的百分之几已提高到百分之几十有了很长足的进步，虽然如此我们还有提高 η int 的较大空间。假设 LED PN 结中每个复合载流子都能产生┅个光子是不是可以说， LED 的电-光转换效率就达到
100%回答是否定的。 从半导体理论可以知道对于不同的材料和外延生长工艺的不同，所淛成的 LED 的发 光波长是不同的假定，这些不同发光波长的 LED 其内量子效率均达到 100%但由于一个 电子从 N 层运动到 PN 结有源层和一个空穴从 P 型层运動到 PN 结有源层，产生复合载流子 所需的能量 E 与不同波长的 LED 的能带位置相关而不都一样而不同波长的光子的能量 E （λ
）也是不同的，电能箌光能的变换有必然的损耗我们下面举例加以说明： 例如一个λ D=630nm 的 GaInAIP 四元橙色 LED，其正常偏置约为 VF≌2.2V于是意味着 它的一个电子与一个空穴複合成一个载流子所需的电热能 ER=2.2ev， 而一个λ D=630nm 的光 子的势能为 E λ ） （ =bc/λ D≌≌1.97ev 于是电能到光能的转换效率μ （e-L）
当我们无法支计数式（59-1）中嘚复合载流子总数和产生的光子总数。一般是通过测量
=77.64%?60%=46.58%可见到目前为止 LED 的光―电转换效率不是很高的一个原因所在。
60、LED PN 结有源层发出的咣子能否 100%逸出到空气中
上面已经了解到 LED PN 结有源层的电―光转换效率不是很高，有相当一部分电能没有 转换成光源而是转换成热能损耗茬 PN 结内，成为 PN 结的发热源人们正在通过材料、工 艺等机理上的努力去提高这一效率，但是即使我们在 LED 加上例如 1W 的电功率它能将这
个电功率全部变成 1W 光功率，那么我们要问：这些光子能否全部逸出到空气中被人们“看 见”回答也是否定的。于是就有一个 LED 光子逸出率的问題存在可以用（60-1）式来表 示 LED 中产生的光子逸出到空气中的比率。 μ
=（逸出到空气中的光子数/PN 结产生的光子总数）?100%
我们可以称（60-1）为 LED 的外量子效率为方便说明，我们假定 LED 的材料为 GaAs 其材料的折射系数为 n1=3.9 与芯片接触的界面是空气， 它的光折射系数 n0=1 由光的传播理 论中的光线折射定律可以知道，二种不同材料的界面在折射系数不相同时其垂直于界面的 光的反射指数可用式（60-2）来表示： R(L)=[(n1 - n0 )/ (n1 + n0 )]2?100%
对于 GaAs 与空气则有： R(L)=[(3.9 - 1 )/ (3.9 + 1 )]2?100%=35.02% 这就昰说， 35.02%的光子将被反射回 GaAs 材料中即反射回芯片内不能逸出到空气中 有 仅有 64.98%有可能逸出到空气中。然而LED 的发光若是一个点光源时，其边堺全发射临界 角θ C 与界面二种材料的折射系数有关并由（60-3）式确定： θ
C=arcSin(n0/n1) 对于 GaAs 和空气：θ C= arcSin(1/3.9)=14.90° 边界全发射临界角为 29.8°， 超过这个角度不能发射到空气中， 显然这对一个球面而言 这个角度仅 8.27%的区域能全发射，显然外量子效率是极低的 当然对 LED 芯片来说，它是一个六面体并非點光源，在不计电极挡光时这个六面体 的六个面均可有一个全发射临界角，共可有
49.6%的出光区域事实上，LED 由于要引出电 极固定在引线框架上等原因，还做不到六个面出光也就是达不到 49.6%的全发射区域。 LED 外量子效率一般仅在 20%左右它还有很大的提升空间，就是要从 LED 芯片结構封装 结构，材料折射系数等综合多方面因素加以解决来提高效率。 （60-3） （60-2）
62、能否简述一下提高 LED 芯片电一光转换效率的意义何在
通过上述几个问题的回答，我们已基本上了解目前 LED 芯片的电一光转换效率不是很 高也就是说其内量子效率和外量子效率都有很大的提高涳间，需要 LED 科技、产业界去 努力改进 内量子效率的改进，从改进半导体材料的杂质、位错和缺陷着手另外从 PN 结生长工 艺上加以改善，茬芯片结构和形状设计上也有提高的余地要做较多的工作，并要充分开拓 新材料、新工艺以取得效率提高上的突破
在芯片电极设计和電极引出上采用新的构思和工艺方法， 在这方面近年已有较大提高与 突破另外，在材料、光学设计方面均要加以改进总之要做的工作佷多，电一光转换效率
达到一定值 LED 可以成为传统光源的取代者 LED 电一光转换效率不高引起的另一个问题在于 PN 结内部电能损耗为热能， 引起 LED 芯片发热过高的热量会引起 LED PN 结的退化，具体表现为光电参数的变劣因此提高 LED 芯片的电一光转换是从根本上解决 LED 热退化的关键所在， 也昰 LED 能否真正取代传 统光源的技术关键所在
63、衡量 LED 器件光电转换优劣的参数主要有哪些？
LED 作为电一光转换的发光器件衡量其性能优劣的參数很多，有电学的、有光学的 还有热学方面的，但最基本的可以用它的电一光转换方面的参数来衡量。 对于普通用作指示灯的 LED 器件常用它在规定电流 IF 下的发光强度一烛光（烛光用 符号 cd 或 mcd）表示）来反映它的电一光转换能力。LED 的发光强度是指其法向方向发出
的光的强喥它与观察的角度相关，不同角度光强不同这是必须弄清的。光强这一参数对 于用做“看灯”的 LED 比较合适 对于将 LED 用作“照亮被照物”的照明光源来说，光有发光强度似乎不太适用于 LED 在照明上的评估但不论 LED 作什么用途，评价它的电一光转换优劣可以用二个参数， 即發光效率和辐射光通量来评价 发光效率是指 LED 在规定的电功率下（也可以在规定的 IF
下）它发射出的光的功率的 大小。 知道了 LED 发射的光功率囷施加在 PN 结上的电功率 则他们两者的比就是电一光转 换效率μ
LED 输出的光功率 Plight 都可以客观反映 LED 的发光能力， 对于可见光或不可见光都一 样然而不同波长的可见光，尽管其发出一样的光功率但人眼对其视觉效果却都不一样， 特别是照亮度被照物时的灰度感觉可以有较大差異不直观。为此人们又用另一参数――辐 射光通量（单位为流明）来评估它用符号φ 表示。辐射光通量对于人的视觉效果相对比较
一致不同波长但相同的光通量对于人眼视觉感觉是相同的，较适用于评价照明光源它的 定义是：在一个所有方向上光强 Iv=1cd 的电光源，其辐射的光通量为 4π 流明（流明符号为 lm） 用公式表示为（63-1）式： φ =Iv?dΩ 式中 dΩ 为单位辐射立体角 （63-1）
由 （63-1） 式可知 LED 发光强度 Iv=φ /dΩ ， LED 的发光强度昰单位立体角的光通量 即 利用（63-1）式可对φ 和 Iv 进行互换，条件是要知道 dΩ 由于辐射光通量对于不同发光波长的 LED 发出的光对人眼的感觉楿对上比较统一，因 此被用作 LED 光电参数的衡量依据之一 它与发射角也无关。 于是在规定的电功率下LED 辐射的光通量φ 与电功率 Pe
的比被定義作 LED 的流明效率，它由式（63-2）表示单位为 lm/w。 μ 率下光辐射的强弱的常用参数之一
流明效率是又一个衡量 LED 电一光转换效率的参数，也是茬照明领域来表示单位电功
65、什么是人眼对光的视觉函数
与热一光转换的发光模式不同，LED 是电一光转换因此它发出的光其光色比较单純， 也就是发出的光的光波波长比较单一因此 LED 发射的光为单色光，实验研究发现人的 视觉系统一般说人眼对于不同波长的光色其视觉靈敏度是不同的。研究表明人眼对 λ D=555nm(绿色)的光的视觉灵敏度有最大值，随光的λ
D 的增大或减小人眼视觉灵敏度会 D
随之下降。于是可以鼡人眼视觉函数光通量的归一化关系作出在同等光功率下，λ 觉函数关系曲线
的关系曲线，作出如图 65-1 所示的人眼视觉函数与光波长的關系的曲线就是所谓的人眼视
光功率的对应辐射光通量仅不倒 1lm也就是进入不可 见的柴外或红外范围，这就是说在不同波长的发光光源的發射光功率相同时人眼感觉到光
的辐射的“强度”是不同的，也就是有敏感与不敏感的区分但如果辐射光通量相同，人眼 的感觉就会覺得相同因此对照明光源而言用光通量φ 或流明效率来衡量 LED 电一光特性 比用光输出功率或其他参数要直观和实用。 这就是对于用于照明嘚大功率 LED 通常用辐射 光通量这一参数或流明效率来表征它的优劣。
66、人眼对光的视觉函数这一特点对我们了解 LED 有什么作用
从上面知道，人眼视觉函数实际上是人对不同颜色的光的照明感觉的差异它的作用在 于对于 LED 而言，我们可以知道某一波长光色的 LED 其极限流明效率是哆少从而不会因 此产生对 LED 的光电参数作“无限止”要求。 例如对于λ D=460nm 蓝光 LED，即使其光电转换效率达到 100%也就是说，施加在 LED PN 结上的 1W 电功率即使能产生 1W
的光功率，此时从视觉函数曲线上可查到其辐 射光通量也只有 41lm其流明效率公 41lm/W，这是 460nm 兰光 LED 的理论极限流效率 不可再比这個数值高。利用这一特点就能提供一个评估 LED 电光转换效率的参考依据同 样对一个λ D=620nm 的红光 LED 其极限流明效率可高达 140lm/W。 其次利用人眼视觉函数曲线，我们在知道了一个 LED 的输出光功率后可以换算出
它对应条件下的辐射光通量。例如一个 460nm 的蓝光 LED当其施加 1W 电功率时，能输 出 80mW 的咣功率那么通过下式可约略求出它的光通量和流明效率： φ =41lm?80mW/1000mW≈3.28lm 归纳起来，利用人眼视觉函数曲线可以估计出特定波长的 LED 器件的极限光通量， 利用曲线还可对 LED 器件在特定工作条件（VF 和 IF 已知）下它输出的光功率与辐射光通量
进行换算因此这是十分有用的一种关系曲线。
67、為什么一个蓝光 LED 在涂上特殊的荧光粉构成白光 LED 后其辐射 光通量会比蓝光的高出几倍基至十几倍？
从前面我们已经知道白光 LED 是用什么方法淛造出来的其中一种方法是在发蓝色光 的 LED 芯片上涂上一层 YAG 荧光粉，用蓝色光子激发 YAG 荧光粉形成光一光转换，荧 光粉被激发产生黄光光孓蓝色光与黄色光混合变成白色光，成为白光 LED这种通过光― 光转换后不同波长光的混合， 会使它的波谱变宽 白光 LED 一般比图 67-1 所示的 LED 蓝咣 波谱宽的多的波谱。
对于用蓝光芯片加 YAG 荧光粉制成的白光 LED 与单色 LED 相比， 人眼对它的视觉函 数应当是图 67-2 所示的各种波长成份视觉函数的積分平均值此值可以计算得约 在
296lm/W，即这种白光 LED当发射出光功率 1W 的白光时，其辐射光通量约为 296lm/W 即这种白光 LED，当发射出光功率 1W 的白光时其辐射光通量约为 296lm，这个数值比发 射光功率 1W 的蓝色 LED 的辐射光通量 41lm 增大了 7.2 倍
我们举一个例子说明，若制作白光的蓝光芯片的光通量为 21lm當涂上 YAG 荧光粉后 制成的白光 LED，则它的光通量可以达到 15~20ml只要在荧光粉的受激波长与蓝光的激发 波长相匹配，并控制涂布制程是可以获得良好效果的。
68、LED 在照明应用中往往要知道这个 LED 的照度是多少，请问照度 的定义是什么知道了这个 LED 的辐射光通量，能否求出它的照度
茬照应用中，往往要知道当用 LED 作照明光源时希望知道这种光源照射在接收面上 某一点处的面元上的光通量φ 。很显然不同面元的面积，其照射效果不一样于是人们用 一个光照度来规范这一情况下光源的性能。 照度以称光照度它定义为：照射在光接收面上一点处的面え上的光通量 dφ 与该一点 处面元的面积 ds 之比，照度单位为勒克斯用 lux 来表示，并可写作： E=dφ /ds （68-1）
从（68-1）式可以知道只要了解了 LED 光源的光通量φ ，和需被照射的面积 S则在 这个面积 S 的面上，它的照度 E 即可用（68-1）式求得因此从（68-1）式可知照度又可称 作是单位面积的光通量。
從照度的定义和公式（68-1）式我们可以得到φ 与 E 的相互换算关系，公式（68-1） 式是知道照度 E 和单位面积可以计算出光通量φ ： φ =E?ds 这些关系式茬 LED 实际应用中十分重要是经常用到的基本设计公式。 例如：用 LED 光源作路灯已知路灯高 10 米，灯距为 16 米要使两盏灯间路面范围 内照度为 20lux，每灯的 LED 光源要用多大的光通量 这里
70、请问 LED 光通量φ 与发光强度即光强是否能相互转换？
首先我们来了解一下光通量的定义：一个在所囿方向上光强为 1cd 的电光源其辐射出 的光通量为 4π lm。这就是说一个点光源假设它处在球心上时，若它的辐射光通量为 4π lm这就是说，一個点光源假设它处在球心上时若它的辐射光通量为 4π lm（≈12.56lm） 时，球面上任一点的光强为 1cd从这一点出发，我们可以在有条件的情况下進行两者间 的转换。
我们举个例子来说明假如已知一个 LED 的发光强度 Iv=5cd，其射出角为 60°，问它 的等效光通量是多少由于 LED 制成器件后并不是┅个真正含义上的点光源，它射出的光 有一定的配光范围 这里是 60°， 仅为球面的 1/6， 此时其等效光量可表为： = φ （4π ?60° /360°）lm?5cd=10lm在同样发光強度下，LED 射出角越大其等效光通量也越大，不同
的射出角在 Iv 相同时φ 随θ 增大而增大。
71、LED 的发光强度 Iv 与照度 E 之间如何进行换算
先了解以下照度的定义：照度是指照射在光接收面上一点处的面元上的光通量 dφ ，与 该面元面积 ds 的比值照度用勒克斯作单位，用符号 lux 表示鈳表示为： E=dφ /ds (71-1)
显然在同等光通量下，照射面元的面积越大照度越小，反之亦然 如果知道了 LED 的光通量φ 和需照射的面积，就可换算出照喥 E如果知道了 LED 的 发光强度 Iv 和射出角θ ，则同样可换算出照射在面元面积为 S 的面上的照度 例如：一个发射角为 60°，光强 Iv=1cd 的 LED，在向其法向距离为 0.1M 的平面上照 射时它的照度可以从下述步骤求得： 由上述 Iv 与φ
1.92lux。 从上面这些参数之间的互换来看均是有条件的，比较与使用条件楿对关系不大的是光 通量φ 因此在 LED 用于照明领域时，往往用光通量来表示它的光学参数就可以理解了
72、为什么说用积分球来测量 LED 的光通量时，可以认为：在积分球内 表面任一点位置上得到的由另一部分反射出的照度不受点的位置的影 响？
这个问题实际上是利用积分球測光源光通量的原理基础因为可以证明：球体表面上任 一点的照度与它的位置无关，整个球内表面的照度 E 是常数下面来简单加以说明。 参看图 75-1假定球的半径 r，光源位于求心 L 处球内表面涂有反射率为ρ 的漫散射 材料，光源 L 到 P 点间有挡板 Q 遮挡光线不能直接射到球内表媔 P 的位置上，但 P 点处 能接收来自内表面的反射光于是从图 72-1
可看出，由 P 点到距离为 d 的面元△S 在 P 点 产生的照度△E 可写作： △E=△IvCosφ /r2 (72-1) 式中△Iv 为△S 面元的光强，它由 L 光源照射产生（72-1）式又可写作： △Iv=L△SCosφ Cosθ /d2 (72-2) (72-2)为照度平方反比定律即余弦定律。L 是光源的光强于是面元△S 上的光强由(72-1) 囷(72-2)式可得得：
△ E 是球内表面 P 上的照度，由(72-4)可知当光源 L 的光强不变时，球的半径也不变 时△E 是一个常数，与 P 点处的位置无关即与θ 角嘚大小无关，这就是积分球被用作φ 测量的依据所在
73、为什么 LED PN 结上温度升高会引起它的光电参数退化？
这个问题要从半导体 PN 结的机理上詓了解PN 结作为杂质半导体，在其工作过程中 同样存在杂质电离，本征激发杂质散射和晶格散射等问题，从而使复合载流子转换成光孓 的数量和效能发生变化当 PN 结上的温度（例如环境温度）升高时，PN 结内部杂质电离 加快本征激发加速。当本征激发产生的复合载流子嘚浓度远远超过杂质浓度时本征载流
子的数量增大的影响较之迁移率减少听半导体电阴率变化的影响理为加重使内量子效率下 降，温度升高又导致电阻下降使同样 IF 下，VF 降低如果不用恒流源驱动 LED，则 VF 下降将促使 IF 指数式增加 这个过程将使 LED PN 结上温升更加快， 最终温升超过朂大结温 而导致 LED PN 结失效，这是一个正反馈的恶性过程 PN 结上温度升高使半导体 PN
结中，处于激发态的电子―空穴从激发态跃迁到基态时 会與晶格原子（或离子）交换能量于是成为无光子辐射的跃进，LED 的光学性能退化理 伦证明，无辐射跃迁的数量升呈指数上升的规律变化并可以用式（73-1）表示： Ivo 1+e-△E/KT
式中：Ivo 为 PN 结发生温升前的发光强度 △ E 为 LED PN 结的激活能 K 为玻尔兹曼常数 T 为绝对温度 显然（73-1）式 Iv(T)与 T 是指数关系。 另外PN 结上温度升高还会引起杂质半导体中电离杂质离子所形成的晶格场使离子能 结裂变，能级分裂受 PN 结温度影响这就意味着由于温度引响晶格振动，使其晶格场的对
称性发生变化从而引起能级分裂，导致电子跃迁产生的光谱发生变化这就是 LED 发光 波长随 PN 结温升而变化的原洇。 综合上述LED PN 结上温升会引起它的电学、光学和热学性能的变化，过高的温升还 会引起 LED 封装材料例如环氧荧光粉等物理性能的变化，嚴重时导致 LED 失效所以降 低 PN 结温升，是应用 LED 的重要关键所在
75、衡量 LED 长期使用性能退化的主要指标是什么？
当前比较通用的衡 LED 长期使用性能退化是这一 LED 的发光强度（或光通量）随工
作时间增加而下降的特性。当 LED 从初始使用时的光强 Ivo 随使用时间 T 到达使 Iv=1/2Ivo 时 （即使 LED 初始光强随使用增加下降到 50%时）可以认为是它的工作寿命的半衰期，这 个时间越长LED 越优秀。 应当注意在这个 LED 工作时间内，它的 IF 和 VF 应当基本上符合規定条件一般是在 IF 恒定状态下每隔一段时间测一次 Iv
所有试验的环境温度也应当在规定范围内，例如 Ta=25℃±2℃否则就会缺乏测量依据。 也鈳以用确定 LED 的光强 Iv 下降 20%的工作时间来衡量它的优劣检测条件与上面提 到的一样。无论何种实验方法目的均是从 LED Iv 的变化趋势来预期它长期工作的性能， 即所谓“LED 的寿命” 当然，不同发光特性不同材料的 LED 是有差异的，这要通过大量
试验来统计分析才能得到相应的结论 圖 75-1 示出发光二极管发光强度 Iv 与工作时间 T 的关系示意图。 随着时间的延长 Iv 呈 下降趋势一般讲功率 LED 较普通 LED 下降趋势要缓慢前提是散热情况要良好。
76、什么是 LED 的结温它是如何产生的？
LED 的基本结构是一个半导体的 P-N 结实验指出，当电流流过 LED 器件时P-N 结 的温度将上升，严格意义上說就把 P-N 结区的温度视之为结温。通常由于器件芯片均具有 很小的尺寸因此我们也可把 LED 芯片的温度视之为结盟。在 LED 工作时可存在以下㈣ 种情况促使结温不同程度的上升： （1） 器件不良的电极结构， 窗口层衬底或结区的材料以及导电银胶等均存在一定的电
阻值这些电阻楿互垒加，构成 LED 器伯的串联电阻当电流流过 P-N 结时，同时也会流 过这些电阻从而产生焦耳热，引致芯片温度或结温的升高 （2） 由于 P-N 结鈈可能极端完美，器件的注入效率不会达到 100%也即是说，在 LED 工作时除 P 区向 N 区注入电荷（空穴）外N 区也会向 P 区注入电荷（电子） ，一般情
況下后一类的电荷注入不会产生光电效应，而以发热的形式消耗掉了即使有用的那部分 注入电荷，也不会全部变成光有一部分与结區的杂质或缺陷相结合，最终也会变成热 （3） 实践证明，出光效率的限制是导致 LED 结温升高的主要原因目前，先进的材 料生长与器件制慥工艺已能使 LED 极大多数输入电能转换成光辐射能然而由于 LED 芯片
材料与周围介质相比，具有大得多的折射系数致使芯片内部产生的极大蔀分光子（>90%） 无法顺利地溢出界面，而在芯片与介质面产生全反射返回芯片内部并通过多次内部反射最
终被芯片材料或衬底吸收，并以晶格振动的形式变成热促使结温升高。 （4） 显然LED 器件的热散失能力是决定结温高低的又一个关键条件。散热能力强 时结温下降，反の散热能力差时结温将上升。由于环氧胶是低热导材料因此 P-N 结处 产生的热量很难通过透明环氧向上散发到环境中去，大部分热量通过襯底、银浆、管壳、环 氧粘接层 PCB 与热沉向下发散。 显然
相关材料的导热能力将直接影响器件的热散失效率。 一个普通型的 LED从 P-N 结区到環境温度的总热阻在 300-600℃/w 之间，对于一个具有良 好结构的功率型 LED 器件其总热阻约为 15-30℃/w。巨大的热阻差异表明普通型器件只能 在很小的输入功率条件下 才能正常地工作， 而功率型器件的耗散功率可大到瓦级甚至更高
77、简述结温对 LED 光输出的影响
实验指出，LED 的光输出均明显依賴于器件的结晶当 LED 的结温升高时，器件的输 出光强度将逐渐减小而光结温下降时，光输出强度将增大 表（77-1）列出了相对于 25℃而言 100℃結温时不同波长响应的 InGaAlP 与 InGaN LED 的光输出通量的相对变化值。这种变化的数字表达式如式（77-1）所示 φ v(T2 )= φ v(T1)e-k△T (77-1) 其中φ v(T2
这里 T0 表一种特征温度 值与材料囿关。 T 实验指出 对于红色的 InGaAlP LED， 0 =85℃ T 对于琥珀色 InGaAlP LED，T0 ≈55℃而对于 InGaN LED，T0 值约为 840℃表明 InGaN 器件的温度系数远小于发红、黄光的 InGaAlP 器件，也即光通量隨温度增加而减小的速率比 InGaAlP 小得多
一般情况下，光输出通量随结温的增加而减小的效应是可逆的也即当温度回复到初始 温度时，光输絀通量会有一个恢复性的增长这种效应的发生机制显然是由于材料的一些相 关参数会随温度变化，从而导致器件参数的变化如随温度嘚增加，电子与空穴的浓度会增 加禁带宽度会变小，电子迁移率也将减小这些参量的变化必定引致器件输出光通量的改
变。然而当温喥恢复至初态时器件参数的变化也将随之消失，输出光通量也会回复至初态 值 78、LED 的正向电压与结温之间存在什么关系 正向电压是判定 LED 性能的一个重要参量，它的数值取决于半导体材料的特性、芯片 尺寸以及器件的成结与电极制作工艺 相对于 20mA 的正向电流， 通常 InGaAlP LED 的正向
结唍美性的一个参量处在 1-2 之间。分析式（78-1） 的右边发现只是反向饱和电流 I0 与温度密切相关，I0 值随结温的升高而增大导致正向电 压 V1 值下降，实验指出在输入电流恒定的情况下，对于一个确定的 LED 器件二 正 向压降与温度的关系可由式（78-2）表示： VfT =VfT0+K（T-T0 ） (78-2) 式中 VfT 与 V fT0 分别表示结温为 T 與
也将造成额外复合电流的增加，而使正向电压下降甚至出现恶性循环。通常恒流是 LED 工作的较好的模式，如在恒压条件下由于温升效应使正向电压下降与正向电增加，并形成 恶性循环最终导致器件损坏。 -2 mv/℃ -2 mv/℃ K 单位
79．当结温上升时LED 的发光波长与颜色如何变化？
LED 的发咣波长一般可分成峰值波长与主波长二类前者表示光强最大的波长，而主波 长可由 X、Y 色度坐标决定反映了人眼可感知的颜色。显然結温所引致的 LED 发光波 长的变化将直接造成人眼对 LED 发光颜色的不同感受。对于一个 LED 器件发光区材料的 禁带宽度值直接决定了器件发光的波長或颜色。InGaAlP 与 InGaN 材料属 III-V 族化合物半 导体它们的性质与 GaAs
相仿，当温度升高时材料的禁带宽度将减小，导致器件发光波 长变长颜色发生红迻。通常可将波长随结温的变化表示如下： λ （T2）=λ （T1）+Δ TK（nm/℃） 其中：λ （T2） λ （T1） KdKp 结温 T2 时的波长 结温 T1 时的波长 主波长与峰值波长随溫度的变化系数 表 79-1 LED 波长偏移系数
颜色 红 琥珀 绿 青 蓝 深蓝
表 79-1 指出了 InGaAlP 与 InGaN 器件主波长与峰值波长的 K 值， 由表可知 对于 InGaN 与 InGaAlPLED，峰值波长随温度的变囮要大于主波长随温度的变化其中 InGaAlPLED 尤 甚。 人眼对不同波长的颜色感知灵敏度是存在着很大差异的在蓝、绿、黄区域，很小的波 长变化僦将引致人眼感觉上的变化从而对蓝、绿、黄器件的温升效应提出了更高的要求，
一般来说2-5nm 的波长变化人眼就可以感觉到，而对红光波长的变化人眼的感觉就要相 对迟钝一些，但也能感觉到 15nm 的波长差异为定量地表明人眼对不同波长颜色的感知程 度，有些公司的产品將颜色仓的波长间隔分得很细仅为 2-3nm，但对于红色区域其间隔 扩大到 15nm。这就是说为什么对黄色交通信号灯的颜色标定与均匀度的要求較高，而红色 交通信号灯的颜色要求相对要低得多
80．简述什么是热阻？它的定义和单位是什么
通常将二个节点间单位热功率输运所产苼的温度差定义为该二个节点间的热阻。 其数学 表达式为： R0=Δ T/PD （80-1）
其中 R0 为节点 1 与 2 之间的热阻Δ T 为节点 1 与 2 之间的温差，PD 为二点间的热功率 鋶热阻的单位为℃/W，即二点间流过单位热功率流（W）所产生的温度差显然，热阻 R0 越大散热能力越差；反之，R0 越小散热能力越强。當电功率 W=VF?IF 施加到 LED 上后在 器件的 P-N 结处将会产生大量的热，致使芯片温度迅速升高由于器件良好的热特性，大部
分热量将通过银浆、管壳、散热基板、PCB 散发到周围环境中去从而抑制了器件芯片的升 温。 类同于电学中的电阻特性热阻也存在着相同的运算法则。当 n 个热阻 R01R02??R0n 楿串联时，系统的总热阻为所有热阻值的相加即 R0 总= R01+ R02+ R03+??+R0n 即 1/R0 总= 1/R01+ 1/R02+ 1/R03+??1/+R0n （80-3）
显然，热阻是热学中的一个重要参量实验上，只要我们测得二节点间的热功率流以及 （80-2） 当 n 个热阻 R01、R02、R03??R0n 相并联时系统总热阻的倒数等于各个热阻的倒数之和，
二个节点处的温度我们就可根据式（80-1）求得该二個节点间的热阻。同样只要知道某 系统二个节点间的热阻与热功率流数值，我们就可以求得二点间的温差并且可以根据某点 处的温度，求得另一个节点的温度值
81．LED PN 结上最高结温的含义是什么？
在高温下：LED 的光输出特性除会发生可恢复性的变化外还将随时间产生一种鈈可恢 复的永久性的衰变。 所谓最高结温是指确保一个 LED 器件在正常工作条件在正常工作条件下 器件所能承受的最高温度。为此当环境溫度升高时，应适当减小工作电流直至当环境温 度升至临界温度 Tj 时，将工作电流减至零此时结温将等于环境温度。 通常有二种原因促使高温下 LED 输出性能的永久性衰减
一个原因是材料内缺陷的增殖。 众所周知 现代的高亮 LED 器件通常都采用 MOCVD 技术在 GaAs、 蓝宝石等异质衬底上外延生 长 InGaAlP 或 InGaN 等材料制成，为提高发光效率外延材料均含有多层结构，由于各外延 层之间存在着或多或少的晶格失配从而在界面上形成大量的诸如位错等结构缺陷。在较高 温度时这些缺陷会快速增殖、繁衍，直至侵入发光区形成大量的非辐射复合中心，严重
降低器件的紸入效率与发光效率另外，在高温条件下材料内的微缺陷及来自界面与电极 的快扩散杂质也会引入发光区，形成大量的深能级同样會加速 LED 器件性能的衰变。高温 时LED 封装环氧存在着一个重要特性，即当环氧温度超过一个特定温度 Tg=125℃时封装 环氧的特性将从一种钢性的類玻璃状态转变成一种柔软的似橡胶态状的物质。 此时材料的膨
胀系数急剧增加形成一个明显的拐点，这个拐点所对应温度即为环氧树脂的玻璃状转化温 度其值通常为 125℃。当器件在此温度附近或高于此温度变化时将发生明显的膨胀或收 缩，致使芯片电极与引线受到额外的应力而发生过度疲劳乃至脱落损坏此外，当环氧处于 较高温度时（即使未超过转变温度 Tg） 特别是与芯片临近部分的封装环氧会逐漸变性，发
黄影响封装环氧的透光性能。这是一个潜移默化的过程随着工作时间的延长；LED 将逐 渐失去光泽。显然工作温度越高这种過程将进行的越快。为解决这一困难特别在大功率 器件的制作过程中， 一些先进的封装结耕已摒弃了环氧材料而改用一些性能更为稳定嘚诸如 玻璃、PC 等材料制作透镜；另一个重要方法是让环氧不直接接触芯片表面中间填充一种胶
状的性能稳定的透明硅胶。实践证明通過如此改进，器件性能与稳定度获得了明显改善
82．试述 LED 器件的热阻模型，它由哪些部分构成各有什么特点？
从 LED 器件的结构可以建立咜的热阻构成的模型。图 82-1 是一个典型的 LED 器件结 构示意图 由图知， 暂不计 LED 芯片有源层到衬底间的热阻 则芯片内部主要是衬底的热阻， 我們用 Rθ S 来表示；第二衬底与引线支架间由于存在粘结层，因此衬底到支架有一个粘结
材料引人的热阻用 Rθ x 来表示；第三，安放芯片的支架到自由空间的热阻 Rθ f这三个热阻 构成 LED 芯片 PN 结到空气之间的总热阻 Rθ ，于是： Rθ =Rθ S+Rθ x+Rθ f （1） 衬底到支架的热阻 假定芯片衬底是一个 200μ m 的正方形，银胶的厚度为 100μ m,已知银胶的导热系数为 20W/m*k,可求得芯片衬底到支架的热阻为： Rθ x=h/ρ
（2） LED 衬底的热阻 若 LED 衬底是 GaAs，则ρ （3） 支架的熱阻 铁支架到空气的热阻可求得为 4.2℃/W，这个 LED 的总热阻 Rθ =Rθ S+Rθ x+Rθ f=267℃/W这 个 LED 当使用环境温度为 65℃时，它最多能承受的电功率小于 0.2W 上面讨论Φ，还未计人芯片有源层本身的热阻只是这一层比较薄，尽管也是 GaAs 材
料由于厚度公几十微米，其热阻较衬底 4～5 倍约在 30℃/W 左右。可以看出普通封装 的 LED 其总热阻在 300℃/W 左右，只适用于小功率使用 根据上述的热阻模型，LED 的热阻的主要贡献在于衬底和衬底到支架间的粘合材料引起 的热阻对于功率 LED 要降低热阻除加大衬底面积（即芯片面积）外，用高导热系数材料作 衬底及用高导热系数的合金材料作粘结料昰降低 LED
热阻的主要途径。例如用导热系数 为 75W/M*K 的硅材料作衬底，在芯片面积为 1mm2,硅衬底厚度为 0.8mm 时衬底的热阻 Rθ S 为：
此时热阻主要贡献在于芯片 材料本身。目前已有热阻低于 40℃/W 的封装但这要求 LED 芯片在衬底材料和粘合材料上 改进，前者用硅作衬底后者用 AuSn 或铅锡（PbSn）等合金材料用合金工艺来将芯片粘结 在引线支架上，取代常规的银胶
83．为什么说提高光效可降低结温，试述提高光效的主要途径
通常将单位输入功率所产生的光能谓之光电转换效率简称光效。根据能量守恒定律 LED 的输入功率最终将通过光与热二种形式释放出来，光效越高放出的熱量越少LED 芯片 的温升就越小，这就是提高光效可降低结温的基本原因 实验指出，对于高亮 LED改进出光效率是提高 LED 光效的主要途径。InGaAlP 通瑺是 由 GaAs 衬底上外廷生长 InGaAlP 发光区及 GaP 窗口区制备而成与
InGaAlP 相比，GaAs 材 料具有较小的禁带宽度因此，当短波长的光从发光区与窗口表面么射进 GaAs 衬底时将被 悉数吸收成为器件发光效率不高的主要原因。一个有效的改进方法是先除去 GaAs 衬底 代之于全透明的 GaP 晶体，由于芯片内除去了衬底吸收区从而大幅度提升了器件的出光效 率。近年日本、台湾的一些公司经过大量的研究，成功开发了一种谓之 MB 的工艺技术
获得了與透明衬底法相似的良好效果。MB 工艺的基本要点是：先去除 GaAs 衬底然后在其 表面与 Si 基底表面同时蒸镀 Al 质金属膜，然后在一定的温度与压力丅熔接在一起如此， 从发光层照射到基板的光线被 Al 质金属腊层反射至芯片表面从而使器件的发光效率提高 2.5 倍以上。除 MB 结构的器件外囼湾国联还开发了一种谓之 GB 型的高亮度 InGaAlP LED
的新一代器件，该工艺是采用一种新型的透明胶将具有 GaAs 吸收衬底的外延片与蓝宝石 基板粘合在一起，随后再将 GaAs 吸收衬底除去并在外延层上制作电极从而获得了很高的 发光效率。德国欧斯朗公司开发的表面刻制大量尺寸为光波长的小結构从而使透光效率明 显提高。实验表明大量纹理腐蚀得越深，则出光率的增加将越明显测量指出，对于窗口 层厚度为 20μ m 的器件絀光效率可增长
30%，当窗口层厚度减至 10μ m 时出光效率将有 60%的改进。对于 585-625nm 波长的 LED 器件制作纹理结构后，发光效率可达 30lm/W其 值已接近透明衬底器件的水平。 对于一般结构的 GaN 基蓝绿光器件 型表面的 Ni-Au 金属电极层限制了光的输出效率， P 采用 GaN LED 倒装芯片结构后由于芯片倒装于 Si 基垫上，LED 发出的光直接透过蓝宝石射
出出射的光强没有损失，从而提升了它的出光效率实验指出，在 450-530nm 的峰值波长 区域倒装功率型 LED 器件的最尛效率要比普通型器件高出 1.6 倍。
84．试述热阻在功率 LED 光源应用中的作用
大量实践表明LED 不能加大输入功率的基本原因是由于 LED 在工作过程中会放出大量 的热，使管芯结温迅速上升输入功率越高，发热效应越大温度的升高将导致器件性能的 变化与衰减， 直至失效 减小 LED 温升效應的主要方法： 一是设法提高器件的电光转换效率， 使尽可能多的输入功率转变成光能；另一个重要途径是设法提高器件的热散失能力使结温
产生的热通过各种途径散发到周围环境中去。显然对于一个确定的 LED设法降低热阻是降 低结温的主要途径。 实践指出 LED 的热阻将严偅影响器件的使用条件与性能。 84-1 指出了具有不同热阻 图 值的 LED极大正向电流随环境温度的变化。由此可见对于确定的环境温度，热阻越尛 所对应的极大正向电流就越大。这显然是由于当热阻较小时，器件的散热能力较强因此
为达到器件的最大结温，器件工作在较大嘚正向电流反之，如器件的热阻较大器件散热 不易，故在较小的正向电流下LED 即可达到最大结温。 图 84-2 指出了不同热阻的器件的光通量與正向电流的关系由此可见，当热阻较小时 光通量几乎与正向电流成正比例增加，当热阻较大时由于 P-N 结温的上升，当正向电流加 大箌某值时光通量将趋于饱和，并随之逐渐下降相应于确定的正向工作电流，热阻越小
器件对应的光通量就越大，这显然与较小的热阻使器件保持在一个较低的芯片温度有关
85、如何减小 LED 的热阻值
对于一个 LED 管，设法降低 PN 结与应用环境的热阻是提高器件散热能力的根本途徑 由于环氧胶是低热导材料， 因此 PN 结处产生的热量很难通过透明环氧向上散热到环境中去、 大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘結层、PCB 与热沉向下发散显然、相关材料的 导热能力将直接影响器件的热阻与散热性能。 表 85-1 LED 衬底材料的热导系数： 材料 热导系数 （w/m?k） 75 25 18
