1、半导体照明（LED）百 题 问 答上海市光电子行业协会二 OO五年二月1、光的本质是什么，物体发光有哪几种方式？ .42、何谓电致发光？半导体发光为何属冷光？ .54、简单介绍一下 LED 的发展历史好吗？ .55、请问照明光源的基本种类与主要性能有哪些？ .66、如何描述 LED 的基本特性？ .67、传统光源相比，LED 光源有哪些优点？ .89、何谓绿色照明光源？它有哪些特点？ .810、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？ .912、哪些产业是 LED 产业链的构成部分？ .1018、当前我国 LED 产品与国际先进相比，主要差距在哪里？ .1019
2、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？.1122、当前生产超高亮 LED 的外延方法主要有几种？什么是 MOCVD？ .1127、请可否能深入浅出地介绍一下 LED 芯片的制造流程。 .1229、通过哪些芯片制造过程中的工艺技术措施，可以提高芯片发光强度与出光效率？ .1330、LED 的芯片为什么要分成诸如 8mil，9mil13 至 22mil，40mil 等不同的尺寸？尺寸大小对 LED 光电特性有哪能些影响？ .1534、请介绍一下“透明电极”芯片的结构与它的特点？ .1635、什么是“倒装装芯片” （Flip Chip ）?它的结构如何？
3、它有哪些优点？ .1636、用于半导体照明的芯片技术的发展主流是什么？ .1737、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？.1738、LED 芯片封装成器件一般的制造程是什么？ .1839、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？ .1841、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？ .1942、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？ .2046、能否简单介绍一下芯片粘结工艺中的“合金粘结”工艺？ .2048、白光 LED 是通过哪些方法来实现的？ .2149当前制造白光 LE
4、D 的主流方法是什么？ .2250白光 LED 当前具有代表性的产品的水平如何？ .2251什么是色温？什么是显色指数？ .2252照明领域对白光 LED 的光电性能有哪些基本要求？ .2354LED 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？ .2355白光 LED 的光谱与单色光（红、黄、蓝、紫等）的光谱有些什么区别？ .2556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？ 2659什么是 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？ .2660、LED PN 结有源层发出的光子能否 100%逸出
5、到空气中？ .2761、 .2862、能否简述一下提高 LED 芯片电一光转换效率的意义何在？ .2963、衡量 LED 器件光电转换优劣的参数主要有哪些？ .2965、什么是人眼对光的视觉函数？ .3066、人眼对光的视觉函数这一特点对我们了解 LED 有什么作用？ .3167、为什么一个蓝光 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？ .3268、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？ .3370、请问 LED 光通量 与发光强度即光强是否能相互转
6、换？ .3471、LED 的发光强度 Iv 与照度 E 之间如何进行换算？ .3472、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？ .3573、为什么 LED PN 结上温度升高会引起它的光电参数退化？ .3575、衡量 LED 长期使用性能退化的主要指标是什么？ .3676、什么是 LED 的结温，它是如何产生的？ .3777、简述结温对 LED 光输出的影响 .3779当结温上升时，LED 的发光波长与颜色如何变化？ .3980简述什么是热阻？它的定义和单位是什么？ .4081LED PN 结上最高结温
7、的含义是什么？ .4082试述 LED 器件的热阻模型，它由哪些部分构成？各有什么特点？ .4183为什么说提高光效可降低结温，试述提高光效的主要途径 .4284试述热阻在功率 LED 光源应用中的作用 .4385、如何减小 LED 的热阻值 .4486请简单介绍一下目前常用的热阻测试方法： .4587何谓功率型 LED，请介绍一下它的发展概况： .4690LED 工作时，较好的驱动方法是什么方法？ .4791.有哪些常用的恒流驱动 LED 的方法？请作简单介绍。 .4893如何实现 LED 的调光、调色？请举一简单例子说明。 .5094、LED 的“ 寿命”是什么样一种概念？什么是 “浴盆”
8、曲线？ .5295、LED 失效的判据是什么？失效率又如何？ .5398、是否可以通过试验来剔除早期失效的 LED？ .5499、什么是静电破坏？哪些类型的 LED 容易受静电破坏导致失效？ .55101、从哪些方面着手改进和注意可以提高 LED 在应用中的可靠性，降低失效率？ .55102、LED 要进入照明领域还存在哪些问题，还要做哪些工作？ .571、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
9、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：电磁波谱波长区域波长范围电磁波谱种类nm m cm M长波振荡 10 5无线电波 1105微波 10-1102红外线 0.77103可见光 380770紫外线 10390X 射线 10-350r 射线 10-510-1宇宙射线 10 -5*lm=102cm=106m=10 9nm之间，包
10、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，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，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
11、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
12、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
13、来，这就是电致激发发光。发光波长取决于电子的能量差：E=h =h c/=1.24 （2-1）其中E= E 1 E2 ，E 是发射光子所具有的能量，以电子伏特为单位。 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
14、-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
15、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
16、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
17、）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
18、频无极灯 50-70 85 3000-4000 40000-80000固体白灯 20 75 5000-10000 1000006、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
19、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。V F 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，I R 过大表明结特性较差。反向击穿电压是指当反向电
20、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 380nm760nm 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 P 处有所展开，其波
21、长半宽度通常为 1030nm，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=d/d （6-1）式中 的单位为流明，Iv 的单位即是 cd，d 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 30120mcd 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
22、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
23、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）
24、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
25、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（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
26、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、NO 2、 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。1
27、0、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
28、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
29、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
30、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
31、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
