LED照明-显示基础知识

四联光电-磊锅

第一章 LED照明基础知识
1、半导体照明的概念
又名LED照明。
LED（Lighting Emitting Diode）即发光二极管，是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。
2、LED基本发光原理
LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，这些半导体材料会预先透过注入或搀杂等工艺以产生P、N架构。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。两种不同的载流子：空穴和电子在不同的电极电压作用下从电极流向p、n架构。当空穴和电子相遇而产生复合，电子会跌落到较低的能阶，同时以光子的模式释放出能量。
假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。  理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即   λ≈1240/Eg（mm）
式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。
它所发出的光的波长（决定颜色），是由组成p、n架构的半导体物料的禁带能量决定。由于硅和锗是间接带隙材料，在这些材料在常温下电子与空穴的复合是非辐射跃迁，此类跃迁没有释出光子，所以硅和锗二极管不能发光。但在极低温的特定温度下则会发光，必须在特殊角度下才可发现，而该发光的亮度不明显。发光二极管所用的材料都是直接带隙型的，这些禁带能量对应着近红外线、可见光、 或近紫外线波段的光能量。  发展初期，采用砷化镓（GaAs）的发光二极管只能发出红外线或红光。随着材料科学的进步，各种颜色的发光二极管，现今皆可制造。电流从LED 阳极流向阴极时，调节电流，便可调节光的强度。
3、LED光源的特点
1）电压： led使用低压电源，供电电压在6-24v之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。
2）效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少 80%  
3）适用性：很小，每个单元 led小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境  
4）稳定性： 10万小时，光衰为初始的50%  
5）响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级， led灯的响应时间为纳秒级 6）对环境污染：无有害金属汞  
7）颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的 led，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色
8）价格：led的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只led的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成  
4、LED的优点
1）高节能
节能能源无污染即为环保。直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦）电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。  
2）寿命长
LED光源有人称它为长寿灯，意为永不熄灭的灯。固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。  
3）多变幻
LED光源可利用红、绿、篮三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生25632563256＝16777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。
4）利环保
环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。红光LED含有大量的As（砷），剧毒。
5）高新尖
与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品，成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，是半导体光电器件“高新尖”技术，具有在线编程，无限升级，灵活多变的特点。
6）体积小
LED基本上是一块很小的芯片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻。 7）高亮度、低热量
比HID或白炽灯更少的热辐射。
5、LED发展历史
1）1965年，全球第一款商用化发光二极管诞生 ，效率0.1lm/W,比白炽灯低100倍，售价45$/只。
2）1968年，LED的研发取得了突破性进展，利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1流明/瓦，并且能够发出红光、橙光和黄色光。
3）1971年，GaP绿色芯片LED。 用途：指示用，长寿命10万小时，可靠
4）80年代AlGaAs技术使得LED效率达到10流明/瓦，90年代的AlGaInP技术使得LED效率达到100流明/瓦。 用途：显示，信号用。用于室外的运动信息发布以及汽车的高位刹车灯。 5）1994年，中村修二研制出了第一只GaN基高亮度蓝色发光二极管。
用途：由于蓝光LED的出现，人们首次实现红黄蓝LED的全色显示，从90年代中期开始，许多广告、体育和娱乐场所开始应用LED大屏幕显示。6.1997年，中村修二和美国人修博特先后研制出了GaN蓝色发光二极管激发黄光荧光粉得到白光LED，效率不足10 lm/W。
6）2000年，日亚报道了15 lm/W白光LED。
7）2003年，日亚报道的光效达到60 lm/W， 2006年3月，其光效达到100 lm/W。
8）2006年7月，Cree公司报道了130 lm/W白光LED。
9）2006年11月，日亚报道的光效达到150 lm/W，其效率已经超过节能灯，实现了真正意义上的照明。 10）2007年3月，美国CREE公司光效达到157 lm/W，目前LED的效率向200 Lm/W前进。
6、LED显示屏常用术语解释
1）LED的颜色
LED的颜色是一个很重要的一项指标,是每一个LED相关灯具产品必须标明,目前LED的颜色主要有红色,绿色,蓝色,青色,黄色,白色,暖白,琥珀色等其它的颜色。
全球第一颗LED采用的材料是砷(As) 化镓(Ga)，工作电压为1.424V，其发出的光线为红外光谱。之后，业界发展出以磷(P)化镓(Ga)作为LED的材料，工作电压为2.261V，发出的光为绿光。业界早期就透过这2种型态LED所需的材料，调配出从红外线到绿色光范围内所有波长的LED产品，发展出常见的红光LED、黄光LED、橙光LED等等，这3大类LED因为使用了镓、砷、磷3种元素，故被称为3元素LED，而蓝光LED、绿光LED与红外光LED则被称为2元素LED。业界后来发展出采用混合铝(Al)、钙(Ca) 、铟(In)和氮(N)共4种元素的4元素LED，就能够发出所有可见光范围与部份紫外线光谱的光线。
2）LED的电流
LED的正向极限(IF) 电流多在20mA,而且LED的光衰电流不能大于IF/3,大约15mA和18mA..LED的发光强度仅在一定范围内与IF成正比,当IF>20mA时,亮度的增强已经无法用内眼分出来.因此LED的工作电流一般选在17-19MA左右比较合理.前面所针对是普通小功率LED(0.04-0.08W)之间的LED而言,但大功率的LED就必须查其规格。
3）LED的电压
我们通常所说的是LED的正向电压,就是说LED的正极接电源正极,负极接电源负极. 电压与颜色有关系，红、黄、黄绿的电压是1.8-2.4v之间。白、蓝、翠绿的电压是3.0-3.6v之间,可能同样一批LED的电压会有一些差异,,要根据厂家提供的为准. 在外界温度升高时，VF将下降。
LED的反向电压VR:所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。 4）LE发光强度（I、Intensity）
简称光度，指光源的明亮程度。是说从光源一个立体角（单位为Sr）所放射出来的光通量，也就是光源或照明灯具所发出的光通量在空间选定方向上分布密度，也即表示光源在一定方向和范围内发出的可见光辐射强弱的物理量。单位是坎德拉cd；1000ucd（微坎德拉）=1 mcd（毫坎德拉）, 1000mcd=1 cd（也称烛光）.
发光强度是针对点光源而言的，或者发光体的大小与照射距离相比比较小的场合。这个量是表明发光体在空间发射的会聚能力的。可以说，发光强度就是描述了光源到底有多“亮”，因为它是光功率与会聚能力的一个共同的描述。发光强度越大，光源看起来就越亮，同时在相同条件下被该光源照射后的物体也就越亮，因此，早些时候描述手电都用这个参数。现在LED也用这个单位来描述，比如某LED是15000 的，单位是mcd，1000mcd=1cd，因此15000mcd就是15cd。之所以LED用毫cd（mcd）而不直接用cd来表示，是因为以前最早LED比较暗，比如1984 年标准5mm的LED其发光强度才0.005cd，因此才用mcd表示，用发光强度来表示“亮度”的缺点是如果管芯完全一样的两个LED，会聚程度好的发光强度就高。因此，还要看照射角度。很多高I值的LED并非提高自身的发射效率来达到，而是把镜头加长照射角度变窄来实现。
室内用单只LED的光强一般为500ucd-50 mcd，而户外用单只LED的光强一般应为100 mcd-1000 mcd，甚至1000 mcd以上。
发光强度为1cd的光源可放射出l2.57lm光通量。 5）光通量（F，Flux）
为一光源所放射出光能量的速率或光的流动速率，为说明光源发光的能力的基本量，即光源每秒钟所发出的可见光量之总和。单位：流明（Lm：Lumen）。
这个量是对光源而言，是描述光源发光总量的大小的，与光功率等价。光源的光通量越大，则发出的光线越多对于各向同性的光（即光源的光线向四面八方以相同的密度发射），则 F = 4πI(π为发光角度)。也就是说，若光源的I为1cd，则总光通量为4π =12.56 lm。
人眼对不同颜色的光的感觉是不同的，此感觉决定了光通量与光功率的换算关系。对于人眼最敏感的555nm的黄绿光，1W = 683 lm，也就是说，1W的功率全部转换成波长为555nm的光，为683 流明。这个是最大的光转换效率，也是定标值，因为人眼对555nm的光最敏感。对于其它颜色的光，比如650nm的红色，1W的光仅相当于73 流明，这是因为人眼对红光不敏感的原因。对于白色光，要看情况了，因为很多不同的光谱结构的光都是白色的。例如LED的白光、电视上的白光以及日光就差别很大，光谱不同。常用白光LED 流明举例：0.06W→3-5LM, 0.2W→13-15LM,1W→60-80LM。
一个l00瓦 （w）的灯泡可产生l750lm，而一支40w冷白日光灯管则可产生3l50lm的光通量。 6）照度（E，I luminance）单位勒克斯即lx（以前叫lux）
即受照平面上接受光通量的密度，可用每一单位面积的光通量来测量。1lm的光通量均匀分布在l平方公尺（m2）的表面，即产生1勒克新（LUX，lX）的照度1lm的光通量落在l平方英尺（ft2）的表面，其照度值为l尺烛光（Foot candle，fC）。桌面、工作面的照度不应少于150lX。起居室的照明采用光线柔合的半直接型照明灯具较理想，其平均照度应达到l00lX左右。阅读和书写用的灯具功率可大些，照度应达到200lX。
7）亮度
亮度是指物体明暗的程度，定义是单位面积的发光强度。单位：尼特（nit） 8）光效
光源发出的光通量除以光源的功率。它是衡量光源节能的重要指标，是以其所发出光的流明除以其耗电量所得之值。单位：每瓦流明（Lm/w）。
光源效率（Lm/w）=流明（Lm）/耗电量（W）也就是每一瓦电力所发出光的量，其数值越高表示光源的效率越高，也越为节能。所以效率通常是我们经常要考虑的一个重要的因素。
9）波长
光的色彩强弱变化，是可以通过数据来描述，这种数据叫波长。我们能见到的光的波长，范围在380至780nm之间。单位：纳米（nm）  
10）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；通常叫做"显色指数"，单位：Ra。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：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。
色坐标（CIE）
11）色温
光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时，黑体的温度称为该光源的色温。 单位：开尔文（k）。 色温究竞是指什么? 我们知道，通常人眼所见到的光线，是由光的三原色（红绿蓝）组成的7种色光的光谱所组成。色温就是专门用来量度光线的颜色成分的。
用以计算光线颜色成分的方法，是19世纪末由英国物理学家洛德•凯尔文所创立的，他制定出了一整套色温计算法，而其具体界定的标准是基于以一黑体辐射器所发出来的波长。
凯尔文认为，假定某一纯黑物体，能够将落在其上的所有热量吸收，而没有损失，同时又能够将热量生成的能量全部以“光”的形式释放出来的话，它便会因受到热力的高低而变成不同的颜色。例如，当黑体受到的热力相当于500—550℃时，就会变成暗红色，达到1050一1150℃时，就变成黄色„„因而，光源的颜色成分是与该黑体所受的热力温度相对应的。只不过色温是用凯尔文(°K、也就是绝对温度)的色温单位来表示，而不是用摄氏温度（℃）单位表示的。在加热铁块的过程中，黑色的铁在炉温中逐渐变成红色，这便是黑体理论的最好例子。当黑体受到的热力使它能够放出光谱中的全部可见光波时，它就由红转变橙黄色、黄色最后变成白色，通常我们所用灯泡内的钨丝就相当于这个黑体。色温计算法就是根据以上原理，用°K来表示受热钨丝所放射出光线的色温。根据这一原理，任何光线的色温是相当于上述黑体散发出同样颜色时所受到的“温度”。
颜色实际上是一种心理物理上的作用。所有颜色印象的产生，是由于时断时续的光谱在眼睛上的反应，所以色温只是用来表示颜色的视觉印象。摄影人都知道：有光才有色，没有光就没有色。
彩色胶片的设计，一般是根据能够真实地记录出某一特定色温的光源照明来进行的，分为5500 °K日光型、3200 °K灯光型等多种。因而，摄影家必须懂得采用与光源色温相同的彩色胶卷，才会得到准确的色彩再现。如果光源的色温与胶卷的色温互相不平衡，就不会对色彩进行准确的还原。这时，我们就要靠滤光镜来提升或降低光源的色温，使曝光条件与胶卷拟定的色温相匹配，才会有准确的色彩再现。而数码照相机、摄像机等要求进行白平衡调整，实际上也就是对数码机器进行拍摄环境的基础色温定位。目的是同样的：为了色彩的准确再现。
如何准确地进行色温定位？这就需要使用到“色温计”啦。一般情况下，正午10点至下午2点，晴朗无云的天空，在没有太阳直射光的情况下，标准日光大约在5200~5500°K。新闻摄影灯的色温在3200°K；一般钨丝灯、照相馆拍摄黑白照片使用的钨丝灯以及一般的普通灯泡光的色温大约在2800°K；由于色温偏低，所以在这种情况下拍摄的照片扩印出来以后会感到色彩偏黄色。而一般日光灯的色温在7200~8500°K左右，所以在日光灯下拍摄的相片会偏青色。这都是因为拍摄环境的色温与拍摄机器设定的色温不对造成的。一般在扩印机上可以进行调整。但如果拍摄现场有日光灯也有钨丝灯的情况，我们成为混合光源，这种片子很难进行调整。
不同光源环境的相关色温度。 光源色温不同，光色也不同，色温在3000k 以下有温暖的感觉，达到稳重的气氛；色温在3000k-5000k 为中间色温，有爽快的感觉；色温在5000k 以上有冷的感觉。
12）眩光
视野内有亮度极高的物体或强烈的亮度对比，所造成的视觉不舒适称为眩光，眩光是影响照明质量的重要因素。 13）发光角度
二极管发光角度也就是其光线散射角度，主要靠二极管生产时加散射剂来控制，有三大类：
A指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。发光角度5°~20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。
B准型。通常作指示灯用，其发光角度为20°~45°。
C散射型。这是视角较大的指示灯，发光角度为45°~90°或更大，散射剂的量较大。 LED 的发光角度是LED 应用产品的重要参数。 14、同步性
两个或两个以上LED灯在不规定时间内能正常按程序设定的方式运行，一般指内控方式的LED灯，同步性是LED灯实现协调变化的基本要求。
15）防护等级
IP防护等级是将灯具依其防尘、防湿气之特性加以分级，由两个数字所组成，第一个数字代表灯具防尘、防止外物侵人的等级（分0-6级），第二个数字代表灯具防湿气、防水侵人的密封程度（分0-8级），数字越大表示其防护等级越高。
16）光谱
光谱是复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案。
光波是由原子内部运动的电子产生的．各种物质的原子内部电子的运动情况不同，所以它们发射的光波也不同．研究不同物质的发光和吸收光的情况，有重要的理论和实际意义，已成为一门专门的学科——光谱学．
吸收光谱高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。例如，让弧光灯发出的白光通过温度较低的钠气（在酒精灯的灯心上放一些食盐，食盐受热分解就会产生钠气），然后用分光镜来观察，就会看到在连续光谱的背景中有两条挨得很近的暗线。这就是钠原子的吸收光谱．值得注意的是，各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱中的一条明线相对应．这表明，低温气体原子吸收的光，恰好就是这种原子在高温时发出的光．因此，吸收光谱中的谱线（暗线），也是原子的特征谱线，只是通常在吸收光谱中看到的特征谱线比明线光谱中的少．
在我们眼里大部分光源所发出的光皆通称为白光，实际上肉眼看上去的不同光源所发出的白光会因色温的高低而呈现不同的颜色。光色愈偏蓝，色温愈高 偏红则色温愈低。人的眼睛有时会被自己的感觉所愚弄，感到差异不大，
但在我们拍摄照片上，可以看到最直接的效果，比如在睛空下拍摄的照片，可能会发蓝发冷，而在灯光下拍摄的照片（不打开闪光灯），会呈现明显暖调的橙红色。
17）色表
是指人眼直接观察光源时所看到的颜色。街道高压钠灯发出的光既亮且白，但当看到被照射的人的面孔时显表灰色，这说明高压钠灯的色表并不差，但显色性不好。
18）平均寿命
指一批灯至50%的数量损坏时的小时数。单位：小时（h）。 19）经济寿命
在同时考虑灯泡的损坏以及光束输出衰减的状况下，其综合光束输出减至特定的小时数。室外的光源为70%，室内的光源为80%。
20）LED象素模块
LED排列成矩阵或笔段，预制成标准大小的模块。室内显示屏常用的有8*8象素模块、8字7段数码模块。户外显示屏象素模块有4*4、8*8、8*16象素等规格。户外显示屏用的象素模块因为其每一象素由两只以上LED管束组成，固又称其为集管束模块。
21）象素(Pixel)与象素直径
LED显示屏中每一个可被单独控制的LED发光单元(点)称为象素(或象元)。象素直径∮是指每一象素的直径，单位是毫米。
对于室内显示屏，一般一个为单个LED，外形为圆形。室内显示屏象素直径校常见的有∮3.0、∮3.75、∮5.0、∮8.0等，其中以∮3.75和∮5.0最多。
在户外环境，为提高亮度，增加视距，一个象素含有两只以上集束LED；由于两只以上集束LED一般不为圆形，固户外显示屏象素直径一般用两两象素平均间距表示：□10、□11.5、□16、□22、□25。
22）点间距、象素密度与信息容量
LED 显示屏的两两象素的中心距或点间距(Dot Pitch)；单位面积内象素的数量称为象素密度；单位面积内所含显示内容的数量称为信息容量。这三者本质是描述同一概念：点间距是从两两象素间的距离来反映象素密度，点间距和象素密度是显示屏的物理属性；信息容量则是象素密度的信息承载能力的数量单位。
点间距越小，象素密度越高，信息容量越多，适合观看的距离越近。 点间距越大，象素密度越低，信息容量越少，适合观看的距离越远。 23）分辨率
LED显示屏象素的行列数称为LED显示屏的分辨率。分辨率是显示屏的象素总量，它决定了一台显示屏的信息容量。
24）灰度
灰度是指象素发光明暗变化的程度，一种基色的灰度一般有8级至1024级。例如，若每种基色的灰度为256级，对于双基色彩色屏，其显示颜色为2563256=64K色，亦称该屏为256色显示屏。
25）双基色
现今大多数彩色LED显示屏是双基色彩色屏，即每一个象素有两个LED管芯：一为红光管芯，一为绿光管芯。红光管芯亮时该象素为红色，绿光管芯亮时该象素为绿色，红绿两管芯同时亮时则该象素为黄色。其中红，绿称为基色。
26）全彩色
红绿双基色再加上蓝基色，三种基色就构成全彩色。由于构成全彩色的蓝色管和纯绿色管芯较贵，故目前全彩色屏相对较少。
7、LED极限参数的意义
1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。 2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。
3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。
4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。
8、LED的分类
1）按发光管发光颜色分
按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。
根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管和达于做指示灯用。
2）按发光管出光面特征分
按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。
国外通常用“T”，代表“Tube”，表示管状的灯管直径，T后面的数字表示灯管直径；T8就是有8个“T”，一个“T”就是1/8英寸。
1英寸=25.4mm。那么每一个“T”就是25.4÷8＝3.175mm
如：T8灯管：T8灯管的直径就是(8/8)325.4＝25.4mm [T8的刚好是直径一英寸的灯管] 3）从发光强度角分布图来分有三类：
（1）高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。
（2）标准型。通常作指示灯用，其半值角为20°～45°。
（3）散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为45°～90°或更大，散射剂的量较大。 4）按发光二极管的结构分
按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。 5）按发光强度和工作电流分
按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED（发光强度10mcd）；把发光强度在10～100mcd间的叫高亮度发光二极管。达到或超过100mcd 的称超高亮度。
一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。 6）按照封装式样和用途分 ★SMD型LED
SMD是目前LED最新的发展，目前主要被应用于3C科技商品上，如手机屏幕背光源.音响背光源.手机按键光源.汽车面板背光源.电器按键讯号灯等应用上，照射角度大所以光束能够均匀扩散，但是制作成本极高!
表面贴装二极管或表面贴装元器件都是他的叫法，这个里面也有多中类别：
按形状大小分：0603、0805、1210、5060、1010等等，一般SMD都是菱形的，所以其叫法都是根据长*宽的尺寸来叫，行业善用的都是英寸，不是毫米，也有用毫米叫的，不如1608（1.6*0.8mm)等。
发光颜色和胶体的种类和LAMP LED产品一样，只是产品的形状发生了很大的变化。 ★LAMP型LED
LAMP的体积大且照射角度较小因而光束为聚光型，主要应用在户外广告牌.指示灯.电器讯号灯.交通号志灯。 有叫它P2产品的、也有叫它插件LED的，不管怎么样只要是直插式的都归与一种。而LED种类里面还有很多种类： 按胶体形状分：3mm、4mm、5mm、8mm、10mm、12mm、方形、椭圆形、墓碑形、还有一些特殊形状等等； 按胶体颜色分：无色透明、有色透明、有色散射、无色散射等；
按颜色分：红色（red）、橙色（orange）、黄色（yellow）、黄绿色（green yellow）、绿色 （green）、蓝绿色（blue green）、蓝色（blue)、紫色（pink）、紫外线（uv）、白色（white）、红外线等等；
★食人鱼型LED
食人鱼则是兼具了SMD及LAMP的优点，且照射角度也比LAMP大，加上防水技术成熟，且拥有高亮度、省电力、长寿命的特性，可对应汽车室内灯较大之车种，超优质量超低价格已成为目前巿场上最物美价廉的最佳车内照明选择，而因技术已成熟所以制作成本较SMD便宜，目前均被广泛的应用在汽车照明系统，物超所值所以深受开车族的喜爱。
这个是因LED的发光效率不能满足汽车使用其要求，所以就开发了这个产品，是小功率产品，其驱动电流一般在50MA、一般LED用的20MA，最高电流可以达到70mA，就是因为其散热比较好，一般用在汽车后尾灯。
★大功率（power led）
现有照明的LED产品,它有以下分类： 按功率分：1w、3w、5w、等等
按顶部发光透镜分:平头、聚光、酒杯形状等 按工艺还有铝基板的和防luminous的。 ★数码管（Display）
最早用在来做显示屏和数码显示用的： 按外形分：1位、2位、3位、4位等等
表面颜色：灰面黑胶的、也有黑面白胶的，等等 极性：共阴、共阳
颜色也和LAMP LED一样可以做很多种类。
★点阵（LED Dot Matrix）
这个产品和数码管差不多，都是应用在信息显示的。其间距和孔的直径有改变都是不同的产品，现在一般分5*7和8*8的，其颜色有单色、双色、三基色的 等等。
按颜色分：单红，单绿，双基色，三基色等； 按孔的直径分：Φ2.0，Φ3.0，Φ3.75，Φ5.0等； 按点数分：5*7，8*8，16*16等
还有一些其它的产品：如像素管（cluster）、测光源（LED Side Light Source）、红外线接收和发射产品（Infrared & Photodiode）等等。
红外线(IR LED)-->三元芯片(GaAlAs/GaAs)，波长940nm，工作电压/电流1.3V/50mA，遥控器用的比较多。 红外线(IR LED)-->三元芯片(GaAlAs)，波长850nm，工作电压/电流1.5V/50mA，红外线监视器辅助照明。 正红光LED-->三元芯片(GaAlAs)，波长660nm，工作电压/电流1.7~2.0V/20mA，亮度较低，衰减快，用途少。 红光LED--> 四元芯片(AlGaInP)，波长630nm，工作电压/电流1.8~2.2V/20mA，亮度高，寿命长，一般用来取代正红光，用途有红绿灯的红灯、汽机车尾灯煞车灯、全彩LED广告牌的红光.....等。
橘光LED--> 四元芯片(AlGaInP)，波长610nm，工作电压/电流1.8~2.2V/20mA，亮度高但用途少。
黄光LED--> 四元芯片(AlGaInP)，波长592nm，工作电压/电流1.8~2.2V/20mA，亮度高，寿命长，用途有红绿灯的黄灯、汽机车方向灯....等。
黄绿光LED--> 四元芯片(AlGaInP)，波长570nm，工作电压/电流1.8~2.2V/20mA，亮度较低但用途不少，计算机机壳电源灯、红绿双色字幕机...等。
草绿光LED--> GAN芯片( InGaN/SiC)，波长525nm，工作电压/电流3.0~3.6V/20mA，亮度高，用途大部分是全彩LED广告牌的绿光。
绿光LED--> GAN芯片( InGaN/SiC)，波长515nm，工作电压/电流3.0~3.6V/20mA，亮度高，一般用途。 青绿光LED--> GAN芯片( InGaN/SiC)，波长525nm，工作电压/电流3.0~3.6V/20mA，亮度高，大部分用在红绿灯的绿灯。
蓝光LED--> GAN芯片( InGaN/SiC)，波长470nm，工作电压/电流3.0~3.6V/20mA，亮度高，用途很广，包括全彩LED广告牌的蓝光。
白光LED--> GAN芯片( InGaN/SiC)，工作电压/电流3.0~3.6V/20mA，亮度高寿命长，光色稳定不闪烁，现在已经可以做小区域照明之用，明年开始将会全面取代中小型LCD面板的冷阴极管当背光源。
9、LED的适用范围和各类应用
LED照明灯具里，底灯，吊灯，投射灯等装饰用，反射用途的LED照明灯具可以完全胜任于任何场合，包括美术馆，博物馆等对颜色度要求较高的场所。但是对于商场，写字楼等大规模设施来说，作为大范围照明的LED灯具虽然已经诞生，但是其指向性(LED芯片发出的光是直线，发散性不好)太高，造成大面积内设计平均的照度很困难。灯管型LED照明灯具排列过密，设计成本过高，失去节能效果。因此，现阶段装饰用途场合，LED照明灯具完全可用，大面积室内照明还不成熟。
LED的应用主要可分为三大类：LCD屏背光、LED照明、LED显示。 1）小尺寸1.5寸到3.5寸LCD屏的背光：
例如手机、PDA、MP3/4等便携设备的LCD屏都需要LED来背光。 2）7寸LCD屏的背光（如数码相框）：
3）大尺寸LCD屏的背光（如LCD TV/Monitor、笔记本电脑）：
目前大部分LCD TV/Monitor、笔记本电脑的LCD屏是采用的CCFL荧光灯管做背光，因CCFL寿命、环保等不利原因目前正朝向采用LED背光发展。按LCD屏的尺寸大小一般需要数十个到上百个白光LED做背光，而其LED驱动IC市场潜力将会很大。
4）LED手电筒：
小功率LED手电筒、强光LED手电筒、LED矿灯。 5）LED草地灯： 6）LED照明：
照明经过白炽灯、日光灯，到现在比较普遍的节能灯，再下个阶段应该就是LED照明灯的普及了，这里需要超高亮度的LED，超长寿命、极低功耗将是LED灯很大的优势，同时成本考虑也是一个关键。
7）LED显示：
我们在公交车、地铁里都能看到各样的LED字幕显示屏，并且在户外也有不少大屏幕LED点阵显示屏幕，从远处看就是一个比较清晰的超大屏幕电视机。这里需要用到专用的LED显示控制芯片。总结：LED照明设计
LED照明灯具备受期待的原因就是节能、使用寿命长。确实，与白炽灯相比，目前的球泡型LED灯效率更高。但是荧光灯与LED照明灯具相比，还是荧光灯较高。这是因为，虽然单独的LED芯片比荧光灯效率高，但是由于发热降低了发光效率，交流电转换成直流电时，电源效率变低以及由于配光分布变换和使用扩散板导致光效降低，进而造成整个LED照明灯具的效率下降。
因此，为了实现LED的节能，长寿命，必须对热、电、光进行各种设计。单纯依靠LED封装并不能发挥LED的优势。

第二章 LED衬底材料的基本知识
1、LED衬底的概念和作用
衬底又称基板，也有称之为支撑衬底。衬底只要是外延层生长的基板，在生产和制作过程中，起到支撑和固定的作用。它与外延层的特性配合要求比较严格，否则会影响到外延层的生长或是芯片的品质。
2、LED衬底材料的种类
对于制作LED芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题。应该采用哪种合适的衬底，需要根据设备和LED器件的要求进行选择。目前市面上GaN基系列一般有三种材料可作为衬底： 蓝宝石（Al2O3）；硅 (Si)；碳化硅（SiC）。
除了以上三种常用的衬底材料之外，还有GaAS、AlN、ZnO等材料也可作为衬底，通常根据设计的需要选择使用。 1）蓝宝石衬底
通常，GaN基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上。蓝宝石衬底有许多的优点：首先， 蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此，大多 数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。图5示例了使用蓝宝石衬底
做成的
LED芯片。                              
使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题，例如晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1011Ω2cm，在这种情况下无法制作垂直结构的器件；通常只在外延层 上表面制作n型 和p型电极（如图1所示）。在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率 降低、成本增加。由于P型GaN掺杂困难，当前普遍采用在p型GaN上制备金属透明电极的方法，使电流扩散，以达到均匀发光的目的。但是金属透明电极一般 要吸收约30%~40%的光，同时GaN基材料的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的设备，这将会增加生产成本。
蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在LED器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割（从400nm减到100nm左右）。添置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资。
蓝宝石的导热性能不是很好（在100℃约为25W/（m2K））。因此在使用LED器件时，会传导出大量的热量；特别是对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。为了克服以上困难，很多人试图将GaN光电器件直接生长在硅衬底上，从而改善导热和导电性能。
2）硅衬底

目前有部分LED芯片采用硅衬底。硅衬底的芯片电极可采用两种接触方式，分别是L接触（Lateral-contact , 水平接触）和V接触（Vertical-contact，垂直接触），以下简称为L型电极和V型电极。通过这两种接触方式，LED芯片内部的电流可以是横 向流动的，也可以是纵向流动的。由于电流可以纵向流动，因此增大了LED的发光面积，从而提高了LED的出光效率。因为硅是热的良导体，所以器件的导热性 能可以明显改善，从而延长了器件的寿命。
3）碳化硅衬底
SiC是IV-IV族二元化合物，也是元素周期表IV族元素中唯一的稳定固态化合物，一种重要的半导体材料。它具有优良的热学、力学、化学和电学性质，不但是制作高温、高频、大功率电子器件的最佳材料之一，同时又可以用作基于GaN的蓝色发光二极管的衬底材料。带宽隙半导体材料SiC所制功率器件可以承受更高电压、更大电流、耗尽层可以做的更薄，因而工作速度更快，可使器件体积更小、重量更轻。 图6：采用蓝宝石衬底与碳化硅衬
底的LED芯片 碳化硅衬底（美国的CREE公
司专门采用SiC材料作为衬底）的LED芯片电极是L型电极，电流是纵向流动的。采用这种衬底制作的器件的导电和导热性
能都非常好，有利于做成面积较大的大功率器件。采用碳化硅衬底的LED芯片如图6所示。
碳化硅衬底的导热性能（碳化硅的导热系数为490W/(m2K)）要比蓝宝石衬底高出10倍 以上。蓝宝石本身是热的不良导体，并且在制作器件时底部需要使用银胶固晶，这种银胶的传热性能也很差。使用碳化硅衬底的芯片电极为L型，两个电极分布在器 件的表面和底部，所产生的热量可以通过电极直接导出；同时这种衬底不需要电流扩散层，因此光不会被电流扩散层的材料吸收，这样又提高了出光效率。但是相对于蓝宝石衬底而言，碳化硅制造成本较高，实现其商业化还需要降低相应的成本。另外，SiC衬底吸收380纳米以下的紫外光，不适合用来研发380纳米以下的紫外LED。
4）氮化镓
用于GaN生长的最理想衬底是GaN单晶材料，可以大大提高外延膜的晶体质量，降低位错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。但是制备GaN体单晶非常困难，到目前为止还未有行之有效的办法。
5）氧化锌
ZnO之所以能成为GaN外延的候选衬底，是因为两者具有非常惊人的相似之处。两者晶体结构相同、晶格识别度非常小，禁带宽度接近（能带不连续值小，接触势垒小）。但是，ZnO作为GaN外延衬底的致命弱点是在GaN外延生长的温度和气氛中易分解和腐蚀。目前，ZnO半导体材料尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件，主要是材料质量达不到器件水平和P型掺杂问题没有得到真正解决，适合ZnO基半导体材料生长的设备尚未研制成功。
3、LED衬底选择的原则
1）晶体结构匹配
外延材料与衬底材料的晶体结构和组分相同或相近、晶格常数失配小、结晶性能好、缺陷密度低。 2）晶格匹配
衬底材料和外延膜晶格匹配至关重要。晶格匹配包含两个 内容：一是与外延生长面内的晶格匹配，即生长界面所在平面的某一方向上衬底与外延膜相匹配；另一个是沿衬底表面法线方向上的匹配，如果这个方向上失配度较大，则衬底表面的任何不平或微小起伏都可能引入缺陷，并延伸到外延膜中。
3）热膨胀原则
热膨胀系数的匹配非常重要，外延膜与衬底材料在热膨胀系数应相近，相差过大不仅可能使外延膜在生长过程中质量下降，还可能会在器件工作过程中，由于发热而造成器件的损坏。


4）稳定性原则
衬底材料要有好的化学稳定性，在外延生长的温度和气氛中不易分解和腐蚀，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降
5）大尺寸原则
所有的衬底易于生长出较大尺寸的晶体。衬底尺寸一般不小于2英寸。 6）集成与散热 易于集成，散热效果好。 7）价格与其它 考虑到产业发展的需要，要求衬底材料的制备工艺简单、易于加工，且成本不能太高；要求衬底的导电性能要好，这样有利于制作。

第三章 LED外延片基础知识
1、LED外延生长的概念和原理
外延生是在一块加热至适当温度的衬底基片(主要有蓝宝石和、SiC、Si)上，气态物质InGaAlP有控制的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。
LED外延片衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石。不同的衬底材料，需要不同的LED外延片生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。
在一块加热至适当温度的衬底基片（主要有蓝宝石和SiC，Si）上，气态物质In, Ga, Al, P有控制的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法。
外延片的生产制作过程是非常复杂，展完外延片，接下来就在每张外延片随意抽取九点做测试，符合要求的就是良品，其它为不良品（电压偏差很大，波长偏短或偏长等）。良品的外延片就要开始做电极（P极，N极），接下来就用激光切割外延片，然后百分百分捡，根据不同的电压，波长，亮度进行全自动化分检，也就是形成LED芯片（方片）。然后还要进行目测，把有一点缺陷或者电极有磨损的，分捡出来，这些就是后面的散晶。此时在蓝膜上有不符合正常出货要求的芯片，也就自然成了边片或毛片等。不良品的外延片（主要是有一些参数不符合要求），就不用来做方片，就直接做电极（P极，N极），也不做分检了
，也就是目前市场上的LED大圆片。
2、LED外延片衬底材料选择特点

1）衬底与外延膜的结构匹配，外延材料与衬底的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、缺陷密度小。
2）界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性强。
3）化学稳定性好，在外延生长的温度和气氛中不易分解和腐蚀，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降。
4）热学性能好，包括导热性好和热失配度小。外延膜与衬底材料在热膨胀系数应相近，相差过大不仅可能使外延膜在生长过程中质量下降，还可能会在器件工作过程中，由于发热而造成器件的损坏。
5）导电性好，能制成上下结构。
6）光学性能好，制作的器件所发出的光被衬底吸收小。 7）机械性能好，器件容易加工，包括减薄、抛光和切割等。 8）价格低廉。  
9）大尺寸，所有的衬底易于生长出较大尺寸的晶体。衬底尺寸一般不小于2英寸。
10）容易得到规则形状衬底(除非有其它特殊要求)，与外延设备托盘孔相似的衬底形状才不容易形成不规则涡流，以至于影响外延质量。
11）在不影响外延质量的前提下，衬底的可加工性尽量满足后续芯片和封装加工工艺要求。
衬底的选择要同时满足以上十一个方面是非常困难的。所以，目前只能通过外延生长技术的变更和器件加工工艺的调整来适应不同衬底上的半导体发光器件的研发和生产。用于氮化镓研究的衬底材料比较多，但是能用于生产的衬底目前只有二种，即蓝宝石Al2O3和碳化硅SiC衬底。下表对五种用于氮化镓生长的衬底材料性能的优劣进行了定性比较。
3、LED外延片衬底材料种类
当前用于GaN基LED的衬底材料比较多，但是能用于商品化的衬底目前只有两种，即蓝宝石和碳化硅衬底。其它诸如GaN、Si、ZnO衬底还处于研发阶段，离产业化还有一段距离。
1）红黄光LED
红光LED以GaP(二元系)、AlGaAs(三元系)和AlGaInP(四元系)为主，主要采用GaP和GaAs作为衬底，未产业化的还有蓝宝石Al2O3和硅衬底。
（1）GaAs衬底
在使用LPE生长红光LED时，一般使用AlGaAs外延层，而使用MOCVD生长红黄光LED时，一般生长AlInGaP外延结构。外延层生长在GaAs衬底上，由于晶格匹配，容易生长出较好的材料，但缺点是其吸收这一波长的光子，布拉格反射镜或芯片键合技术被用于消除这种额外的技术问题。
（2）GaP衬底
在使用LPE生长红黄光LED时，一般使用GaP外延层，波长范围较宽565-700nm;使用VPE生长红黄光LED时，生长GaAsP外延层，波长在630-650nm 之间;而使用MOCVD时，一般生长AlInGaP外延结构，这个结构很好的解决了GaAs衬底吸光的缺点，直接将LED结构生长在透明衬底上，但缺点是晶格失配，需要利用缓冲层来生长InGaP和AlGaInP结构。另外，GaP基的III-N-V材料系统也引起广泛的兴趣，这种材料结构不但可以改变带宽，还可以在只加入0.5 %氮的情况下，带隙的变化从间接到直接，并在红光区域具有很强的发光效应(650nm)。采用这样的结构制造LED，可以由GaNP 晶格匹配的异质结构，通过一步外延形成LED结构，并省去GaAs衬底去除和芯片键合透明衬底的复杂工艺。  
2）蓝绿光LED
用于氮化镓研究的衬底材料比较多，但是能用于生产的衬底目前只有二种，即蓝宝石Al2O3和碳化硅SiC衬底。
（1）氮化镓衬底
用于氮化镓生长的最理想的衬底自然是氮化镓单晶材料，这样可以大大提高外延片膜的晶体品质，降低位错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。可是，制备氮化镓体单晶材料非常困难，到目前为止尚未有行之有效的办法。有研究人员通过HVPE方法在其它衬底(如Al2O3、SiC、LGO)上生长氮化镓厚膜，然后通过剥离技术实现衬底和氮化镓厚膜的分离，分离后的氮化镓厚膜可作为外延用的衬底。这样获得的氮化镓厚膜优点非常明显，即以它为衬底外延的氮化镓薄膜的位错密度，比在Al2O3、SiC上外延的氮化镓薄膜的位错密度要明显低;但价格昂贵。因而氮化镓厚膜作为半导体照明的衬底之用受到限制。
（2）蓝宝石Al2O3衬底
目前用于氮化镓生长的最普遍的衬底是Al2O3，其优点是化学稳定性好、不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟;不足方面虽然很多，但均一一被克服，如很大的晶格失配被过渡层生长技术所克服，导电性能差通过同侧P、N电极所克服，机械性能差不易切割通过雷射划片所克服，很大的热失配对外延层形成压应力因而不会龟裂。但是，差的导热性在器件小电流工作下没有暴露出明显不足，却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。
（3）SiC衬底
除了Al2O3衬底外，目前用于氮化镓生长衬底就是SiC，它在市场上的占有率位居第2，目前还未有第三种衬底用于氮化镓LED的商业化生产。它有许多突出的优点，如化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等，但不足方面也很突出，如价格太高、晶体品质难以达到Al2O3和Si那么好、机械加工性能比较差。 另外，SiC衬底吸收380 nm以下的紫外光，不适合用来研发380 nm以下的紫外LED。由于SiC衬底优异的的导电性能和导热性能，不需要像Al2O3衬底上功率型氮化镓LED器件采用倒装焊技术解决散热问题，而是采用上下电极结构，可以比较好的解决功率型氮化镓LED器件的散热问题。目前国际上能提供商用的高品质的SiC衬底的厂家只有美国CREE公司。
（4）Si衬底
在硅衬底上制备发光二极体是本领域中梦寐以求的一件事情，因为一旦技术获得突破，外延片生长成本和器件加工成本将大幅度下降。Si片作为GaN材料的衬底有许多优点，如晶体品质高，尺寸大，成本低，易加工，良好的导电性、导热性和热稳定性等。然而，由于GaN外延层与Si衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配，以及在GaN的生长过程中容易形成非晶氮化硅，所以在Si 衬底上很难得到无龟裂及器件级品质的GaN材料。另外，由于硅衬底对光的吸收严重，LED出光效率低。
（5）ZnO衬底
之所以ZnO作为GaN外延片的候选衬底，是因为他们两者具有非常惊人的相似之处。两者晶体结构相同、晶格失配度非常小，禁带宽度接近(能带不连续值小，接触势垒小)。但是，ZnO作为GaN外延衬底的致命的弱点是在GaN外延生长的温度和气氛中容易分解和被腐蚀。目前，ZnO半导体材料尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件，主要是材料品质达不到器件水准和P型掺杂问题没有真正解决，适合ZnO基半导体材料生长的设备尚未研制成功。今后研发的重点是寻找合适的生长方法。但是，ZnO本身是一种有潜力的发光材料。 ZnO的禁带宽度为3.37 eV，属直接带隙，和GaN、SiC、金刚石等宽禁带半导体材料相比，它在380 nm附近紫光波段发展潜力最大，是高效紫光发光器件、低阈值紫光半导体激光器的候选材料。ZnO材料的生长非常安全，可以采用没有任何毒性的水为氧源，用有机金属锌为锌源。
（6）ZnSe衬底
有人使用MBE在ZnSe衬底上生长ZnCdSe/ZnSe等材料，用于蓝光和绿光LED器件，最先由住友公司推出，由于其不需要荧光粉就可以实现白光LED的目标，故可降低成品，同时电源回路构造简单，其操作电压也比GaN白光LED低。但是其并没有推广，这是因为由于使用MOCVD，p型参杂没有很好解决，试验中需要用到Sb来参杂，所以一般采用MBE生长，同时其发光效率较低，，而且由于自补偿效应的影响，使得其性能不稳定，器件寿命较短。
实现发光效率的目标要寄希望于GaN衬底的LED，实现低成本，也要通过GaN衬底导致高效、大面积、单灯大功率的实现，以及带动的工艺技术的简化和成品率的大大提高。半导体照明一旦成为现实，其意义不亚于爱迪生发明白炽灯。一旦在衬底等关键技术领域取得突破，其产业化进程将会取得长足发展。

第四章 LED芯片基础知识
1、LED芯片的概念
LED芯片是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的芯片，芯片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个芯片被环氧树脂封装起来。半导体芯片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个芯片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。LED芯片为LED的主要原材料，LED主要依靠芯片来
发光。
以前面所讲述的衬底和外延片的知识，芯片就是在外延片上的基础上经过下面一系列流程，最终完成如右图的成品-芯片。
外延片→清洗→镀透明电极层透 (Indium Tin Oxide，ITO)→透明电极图形光刻→腐蚀→去胶→平台图形光刻→干法刻蚀→去胶→退火→SiO2沉积→窗口图形光刻→SiO2腐蚀→去胶→N极图形光刻→预清洗→镀膜→剥离→退火→P极图形光刻→镀膜→剥离→研磨→切割→芯片→成品测试。

2、LED芯片的组成元素
LED芯片的元素主要为III-V族元素，主要有砷(AS)、铝(AL)、镓(Ga、)铟(IN)、磷(P)、氮(N)、锶(Si)这几种元素中的若干种组成。
3、LED芯片的分类
1）按发光亮度分
A、一般亮度：R﹑H﹑G﹑Y﹑E等 B、高亮度：VG﹑VY﹑SR等
C、超高亮度：UG﹑UY﹑UR﹑UYS﹑URF﹑UE等 D、不可见光(红外线)：R﹑SIR﹑VIR﹑HIR

E、红外线接收管：PT F、光电管：PD
2）按组成元素分
A、二元芯片(磷﹑镓)：H﹑G等
B、三元芯片（磷﹑镓﹑砷）：SR﹑HR﹑UR等
C、四元芯片(磷﹑铝﹑镓﹑铟)：SRF﹑HRF﹑URF﹑VY﹑HY﹑UY﹑UYS﹑UE﹑HE、UG
3）按照制作工艺分
LED芯片分为MB芯片，GB芯片，TS芯片，AS芯片等4种，下文将分析介绍这4种芯片的定义与特点 （1）MB芯片定义与特点 定义：
MB 芯片：Metal Bonding (金属粘着）芯片；该芯片属于UEC 的专利产品 特点﹕
① 采用高散热系数的材料---Si  作为衬底，散热容易。 Thermal Conductivity GaAs: 46 W/m-K GaP: 77 W/m-K Si: 125 ～ 150 W/m-K Cupper:300~400 W/m-k SiC: 490 W/m-K
② 通过金属层来接合(wafer bonding)磊芯层和衬底，同时反射光子，避免衬底的吸收.
③ 导电的Si 衬底取代GaAs 衬底，具备良好的热传导能力(导热系数相差3~4   倍)，更适应于高驱动电流领域。
④ 底部金属反射层，有利于光度的提升及散热。 ⑤ 尺寸可加大﹐应用于High power 领域﹐eg : 42mil MB （2）GB芯片定义和特点 定义﹕
GB 芯片：Glue Bonding (粘着结合）芯片；该芯片属于UEC 的专利产品 特点：

① 透明的蓝宝石衬底取代吸光的GaAs衬底﹐其出光功率是传统AS (Absorbable structure)芯片的2倍以上，蓝宝石衬底类似TS芯片的GaP衬底。
② 芯片四面发光﹐具有出色的Pattern图。
③ 亮度方面﹐其整体亮度已超过TS芯片的水平(8.6mil)。 ④ 双电极结构﹐其耐高电流方面要稍差于TS单电极芯片。 （3）TS芯片定义和特点 定义：
TS 芯片：transparent structure(透明衬底)芯片，该芯片属于HP 的专利产品。 特点﹕
① 芯片工艺制作复杂，远高于AS LED。 ② 信赖性卓越。
③ 透明的GaP衬底，不吸收光，亮度高。 ④ 应用广泛。 （4）AS芯片定义与特点 定义：
AS 芯片：Absorbable structure  (吸收衬底）芯片，经过近四十年的发展努力，台湾LED光电业界对于该类型芯片的研发、生产、销售处于成熟的阶段，各大公司在此方面的研发水平基本处于同一水平，差距不大。大陆芯片制造业起步较晚，其亮度及可靠度与台湾业界还有一定的差距，在这里我们所谈的AS芯片，特指UEC的AS芯片，eg: 712SOL-VR, 709SOL-VR, 712SYM-VR,709SYM-VR 等。
特点：
① 四元芯片，采用 MOVPE工艺制备，亮度相对于常规芯片要亮。 ② 信赖性优良。 ③ 应用广泛。
4）发光二极管芯片材料磊晶种类
① LPE：Liquid Phase Epitaxy(液相磊晶法) GaP/GaP ② VPE：Vapor Phase Epitaxy(气相磊晶法) GaAsP/GaAs
③ MOVPE：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy (有机金属气相磊晶法) AlGaInP、GaN ④ SH：GaAlAs/GaAs Single Heterostructure(单异型结构)GaAlAs/GaAs ⑤ DH：GaAlAs/GaAs Double Heterostructure， (双异型结构) GaAlAs/GaAs
⑥ DDH：GaAlAs/GaAlA

第五章 LED封装基本知识
1、LED封装的概念
LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而LED封装则是完成输出电信号，保护管芯正常工作，输出：可见光的功能，既有电参数，又有光参数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的封装用于LED。
LED的核心发光部分是由p型和n型半导体构成的PN结管芯，当注入PN结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光，紫外光或近红外光。但PN结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率，因此，并不是管芯产生的所有光都可以释放出来，这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料，应用要求提高LED的内、外部量子效率。
LED封装的功能主要包括：1.机械保护，以提高可靠性;2.加强散热，以降低芯片结温，提高LED性能;3.光学控制，提高出光效率，优化光束分布;4.供电管理，包括交流/直流转变，以及电源控制。
常规Φ5mm型LED封装是将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝，键合为内引线与一条管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封。
反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。
顶部包封的环氧树脂做成一定形状，有这样几种作用：
A.保护管芯等不受外界侵蚀；采用不同的形状和材料性质(掺或不掺散色剂)，起透镜或漫射透镜功能，控制光的发散角；
B.管芯折射率与空气折射率相关太大，致使管芯内部的全反射临界角很小，其有源层产生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯内部经多次反射而被吸收，易发生全反射导致过多光损失，选用相应折射率的环氧树脂作过渡，提高管芯的光出射效率。
用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性，绝缘性，机械强度，对管芯发出光的折射率和透射率高。选择不同折射率的封装材料，封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的，发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。若采用尖形树脂透镜，可使光集中到LED的轴线方向，相应的视角较小；如果顶部的树脂透镜为圆形或平面型，其相应视角将增大。
一般情况下，LED的发光波长随温度变化为0．2-0．3nm／℃，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。另外，当正向电流流经PN结，发热性损耗使结区产生温升，在室温附近，温度每升高1℃，LED的发光强度会相应地减少1％左右，封装散热时保持色纯度与发光强度非常重要，以往多采用减少其驱动电流的办法，降低结温，多数LED的驱动电流限制在20mA左右。但是，LED的光输出会随电流的增大而增加，目前，很多功率型LED的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级，需要改进封装结构，全新的LED封装设计理念和低热阻封装结构及技术，改善热特性。例如，采用大面积芯片倒装结构，选用导热性能好的银胶，增大金属支架的表面积，焊料凸点的硅载体直接装在热沉上等方法。此外，在应用设计中，PCB线路板等的热设计、导热性能也十分重要。
进入21世纪后，LED的高效化、超高亮度化、全色化不断发展创新，LED芯片和封装不再沿龚传统的设计理念与制造生产模式，在增加芯片的光输出方面，研发不仅仅限于改变材料内杂质数量，晶格缺陷和位错来提高内部效率，同时，如何改善管芯及封装内部结构，增强LED内部产生光子出射的几率，提高光效，解决散热，取光和热沉优化设计，改进光学性能，加速表面贴装化SMD进程更是产业界研发的主流方向。
2、LED封装的分类
采用不同封装结构形式与尺寸，不同发光颜色的管芯及其双色、或三色组合方式，可生产出多种系列，品种、规格的产品。
LED产品封装结构的类型，也有根据发光颜色、芯片材料、发光亮度、尺寸大小等情况特征来分类的。单个管芯一般构成点光源，多个管芯组装一般可构成面光源和线光源，作信息、状态指示及显示用，发光显示器也是用多个管芯，通过管芯的适当连接(包括串联和并联)与合适的光学结构组合而成的，构成发光显示器的发光段和发光点。
根据不同的应用场合、不同的外形尺寸、散热方案和发光效果，LED封装形式多种多样。目前,LED按封装形式分类主要有Lamp-LED、TOP-LED、Side-LED、SMD-LED、High-Power-LED、Flip Chip-LED等。
1）Lamp-LED(垂直LED)  
LED脚式封装采用引线架作各种封装外型的引脚，是最先研发成功投放市场的封装结构，品种数量繁多，技术成熟度较高，封装内结构与反射层仍在不断改进。标准LED被大多数客户认为是目前显示行业中最方便、最经济的解决方案，典型的传统LED安置在能承受0．1W输入功率的包封内，其90％的热量是由负极的引脚架散发至PCB板，再散发到空气中，如何降低工作时PN结的温升是封装与应
用必须考虑的。
包封材料多采用高温固化环氧树脂，其旋旋光性能优良，工艺适应性好，产品可靠性高，可做成有色透明或无色透明和有色散射或无色散射的透镜封装，不同的透镜形状构成多种外形及尺寸。LED发光显示器可由数码管或米字管、符号管、矩陈管组成各种多位产品，由实际需求设计成各种形状与结构
。
以数码管为例，有反射罩式、
单片
集成式、单条七段式等三种封装结构，连接方式有共阳极和共阴极两种，一位就是通常说的数码管，两位以上的一般称作显示器。反射罩式具有字型大，用料省，组装灵活的混合封装特点，一般用白色塑料制作成带反射腔的七段形外壳，将单个LED管芯粘结在与反射罩的七个反射腔互相对位的PCB板上，每个反射腔底部的中心位置是管芯形成的发光区，用压焊方法键合引线，在反射罩内滴人环氧树脂，与粘好管芯的PCB板对位粘合，然后固化即成。反射罩式又分为空封和实封两种，前者采用散射剂与染料的环氧树脂，多用于单位、双位器件；后者上盖滤色片与匀光膜，并在管芯与底板上涂透明绝缘胶，提高出光效率，一般用于四位以上的数字显示。单片集成式是在发光材料芯片上制作大量七段数码显示器图形管芯，然后划片分割成单片图形管芯，粘结、压焊、封装带透镜(俗称鱼眼透镜)的外壳。单条七段式将已制作好的大面积LED芯片，划割成内含一只或多只管芯的发光条，如此同样的七条粘结在数码字形的可伐架上，经压焊、环氧树脂封装构成。单片式、单条式的特点是微小型化，可采用双列直插式封装，大多是专用产品。LED光柱显示器在106mm长度的线路板上，安置101只管芯(最多可达201只管芯)，属于高密度封装，利用光学的折射原理，使点光源通过透明罩壳的13-15条光栅成像，完成每只管芯由点到线的显示，封装技术较为复杂。
Lamp-LED早期出现的是直插LED,它的封装采用灌封的形式.灌封的过程是先在LED成型模腔内注入液态环氧树脂,然后插入压焊好的LED支架,放入烘箱中让环氧树脂固化后,将LED从模腔中脱离出即成型.由于制造工艺相对简单、成本低,有着较高的市场占有率.
Lamp-LED一般用于大屏，指示灯等领域 2）SMD-LED(表面贴装LED)  
在2002年，表面贴装封装的LED(SMD LED)逐渐被市场所接受，并获得一定的市场份额，从引脚式封装转向SMD符合整个电子行业发展大趋势，很多生产厂商推出
此类产品。
早期的SMD LED大多采用带透明塑料体的SOT-23改进型，外形尺寸3．0431．11mm，卷盘式容器编带包装。在SOT-23基础上，研发出带透镜的高亮度SMD的SLM-125系列，SLM-245系列LED，前者为单色发光，后者为双色或三色发光。 贴片LED是贴于线路板表面的,适合SMT加工,可回流焊,很好地解决了亮度、视角、平整度、可靠性、一致性等问题,采用了更轻的PCB板和反射层材料,改进后去掉了直插LED较重的碳钢材料引脚,使显示反射层需要填充的环氧树脂更少,目的是缩小尺寸,降低重量.这样,表面贴装LED可轻易地将产品重量减轻一半,最终使应用更加完美.  
3）Side-LED(侧发光LED)  
目前,LED封装的另一个重点便侧面发光封装.如果想使用LED当LCD(液晶显示器)的背光光源,那么LED的侧面发光需与表面发光相同,才能使LCD背光发光均匀.虽然使用导线架的设计,也可以达到侧面发光的目的,但是散热效果不好.不过,Lumileds公司发明反射镜的设计,将表面发光的LED,利用反射镜原
理来发成侧光,成功的将高功率LED应用在大尺寸LCD背光模组上.
Side-LED也属于SMD-LED的一种，一般用作背光源。
4）TOP-LED(顶部发光LED)  
顶部发光LED是比较常见的贴片式发光二极管.主要应用于多功能超薄手机和PDA中的背光和状态指示灯.  
TOP-LED属于SMD-LED的一种，一般用作大屏 5）High-Power-LED(高功率LED)  
LED芯片及封装向大功率方向发展，在大电流下产生比Φ5mmLED大10-20倍的光通量，必须采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光衰问题，因此，管壳及封装也是其关键技术，能承受数W功率的LED封装已出现。5W系列白、绿、蓝绿、蓝的功率型LED从2003年初开始供货，白光LED光输出达1871m，光效44．31m／W绿光衰问题，开发出可承受10W功率的LED，大面积管；匕尺寸为2．532．5mm，可在5A电流下工作，光输出达2001m，作为固体照明光源有很大发展空间。
Luxeon系列功率LED是将A1GalnN功率型倒装管芯倒装焊接在具有焊料凸点的硅载体上，然后把完成倒装焊接的硅载体装入热沉与管壳中，键合引线进行封装。这种封装对于取光效率，散热性能，加大工作电流密度的设计都是最佳的。其主要特点：热阻低，一般仅为14℃／W，只有常规LED的1／10；可*性高，封装内部填充稳定的柔性胶凝体，在-40-120℃范围，不会因温度骤变产生的内应力，使金丝与引线框架断开，并防止环氧树脂透镜变黄，引线框架也不会因氧化而玷污；反射杯和透镜的最佳设计使辐射图样可控和光学效率最高。另外，其输出光功率，外量子效率等性能优异，将LED固体光源发展到一个新水平。
为了获得高功率、高亮度的LED光源,厂商们在LED芯片及封装设计方面向大功率方向发展.目前,能承受数W功率的LED封装已出现.比如Norlux系列功率LED的封装结构为六角形铝板作底座(使其不导电)的多芯片组合，底座直径31．75mm，发光区位于其中心部位，直径约(0.375325．4)mm，可容纳40只LED管芯，铝板同时作为热衬。管芯的键合引线通过底座上制作的两个接触点与正、负极连接，根据所需输出光功率的大小来确定底座上排列管芯的数目，可组合封装的超高亮度的AlGaInN和AlGaInP管芯，其发射光分别为单色，彩色或合成的白色，最后用高折射率的材料按光学设计形状进行包封。这种封装采用常规管芯高密度组合封装，取光效率高，热阻低，较好地保护管芯与键合引线，在大电流下有较高的光输出功率，也是一种有发展前景的LED固体光源。
在应用中，可将已封装产品组装在一个带有铝夹层的金属芯PCB板上，形成功率密度LED，PCB板作为器件电极连接的布线之用，铝芯夹层则可作热衬使用，获得较高的发光通量和光电转换效率。此外，封装好的SMD LED体积很小，可灵活地组合起来，构成模块型、导光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。
可见,功率型LED的热特性直接影响到LED的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等，因此，对功率型LED芯片的封装设计、制造技术更显得尤为重要。
High-Power-LED，大功率LED，用于照明。 6）Flip Chip-LED(覆晶LED)  
LED覆晶封装结构是在PCB基本上制有复数个穿孔,该基板的一侧的每个穿孔处都设有两个不同区域且互为开路的导电材质,并且该导电材质是平铺于基板的表面上,有复数个未经封装的LED芯片放置于具有导电材质的一侧的每个穿孔处,单一LED芯片的正极与负极接点是利用锡球分别与基板表面上的导电材质连结,且于复数个LED芯片面向穿孔的一侧的表面皆点着有透明材质的封胶,该封胶是呈一半球体的形状位于各个穿孔处.
属于倒装焊结构发光二极管.
按固体发光物理学原理,LED的发光效能近似100%,因此,LED被誉为21世纪新光源,有望成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源.展望未来,厂商必将把大功率、高亮度LED放在突出发展位置.LED产业链中的衬底、外延、芯片、封装、应用需共同发展,多方互动培植,而封装是产业链中承上启下部分,需要大家极大地关注与重视.

4、LED封装器件的性能
LED器件性能指标主要包括亮度/光通量、光衰、失效率、光效、一致性、光学分布等。
  1、亮度或光通量
  由于小芯片(15mil以下)已可在国内芯片企业大规模量产(尽管有部分外延片来自进口)，小芯片亮度已与国外最高亮度产品接近，其亮度要求已能满足95%的LED应用需求，而封装器件的亮度90%程度上取决于芯片亮度。中大尺寸芯片(24mil以上)目前绝大部分依赖进口，每瓦流明值取决于所采购芯片的流明值，封装环节对流明值的影响只有10%。
  2、光衰
一般研究认为，光衰与芯片关联度不大，与封装材料与工艺关联度最大。影响光衰的封装材料主要有固晶底胶、荧光胶、外封胶等，影响光衰的封装工艺主要有各工序的烘烤温度和时间及材料匹配等。目前，中国LED封装工艺经过多年的发展和积累，已有较好的基础，在光衰的控制上已与国外一些产品匹敌。   3、失效率
  失效率与芯片质量、封装辅助材料、生产工艺、设计水平和管理水平相关。LED失效主要表现为死灯、光衰过大、波长或色温漂移过大等。根据LED器件的不同用途要求，其失效率也有不同的要求。例如指示灯用途LED可以为1000PPM(3000小时);照明用途LED为500PPM(3000小时);彩色显示屏用途LED为50PPM(3000小时)。中国封装企业的LED失效率整体水平有待提高。可喜的是，少量中国优秀封装企业的失效率已达到世界水平。   4、光效
  LED光效90%取决于芯片的发光效率。中国LED封装企业对封装环节的光效提高技术也有大量研究。如果中国在大尺寸瓦级芯片的研发生产上取得突破及量产，将会极大促进功率型封装器件光效的提高。   5、一致性
  LED的一致性包括波长一致性、亮度一致性、色温一致性、衰减一致性等前三项一致性是可以通过投料工艺控制和分光分色机筛选达到的。前三项水平来说，中国LED封装技术与国外一致。角度一致性往往难以分选出来，需通过优化设计、物料机械精度控制、生产制程严格控制来达到。例如，LED全彩显示屏用途的红、绿、蓝三种椭圆形LED的角度一致性控制非常重要，决定性地影响LED全彩显示屏的色彩品质，成为LED器件的一项高端技术。衰减一致性也与物料控制和工艺控制有关，包括不同颜色LED的衰减一致性和同一颜色LED的衰减一致性。一致性的研究是LED封装技术的一个重要课题。中国部分LED封装企业在LED一致性方面的技术已与国际接轨。   6、光学分布
  LED是一个发光器件，对于很多LED应用用途来说，LED的光形分布是一个重要指标，决定了应用产品二次光学的设计基础，也直接影响了LED应用产品的视觉效果。例如，LED户外显示屏使用的LED椭圆形透镜设计能够使显示屏在角度变化时亮度变化平稳并有较大视角，符合人的视觉习惯。又如，LED路灯的光学要求，使得LED的一次光学设计和路灯的二次光学设计必须匹配，达到最佳路面光斑和最佳发光效率。通过计算机光学模拟软件来进行设计开发是常用的手段。中国LED封装企业在积极迎头赶上，与国外技术的差距在缩小。
5、提高LED发光效率的技术
1）透明衬底技术
InGaAlP LED通常是在GaAs衬底上外延生长InGaAlP发光区GaP窗口区制备而成。与InGaAlP相比，GaAs材料具有小得多的禁带宽度，因此，当短波长的光从发光区与窗口表面射入GaAs衬底时，将被悉数吸收，成为器件出光效率不高的主要原因。在衬底与限制层之间生长一个布喇格反射区，能将垂直射向衬底的光反射回发光区或窗口，部分改善了器件的出光特性。一个更为有效的方法是先去除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，使量子效率从4％提升到了25-30％。为进一步减小电极区的吸收，有人将这种透明衬底型的InGaAlP器件制作成截角倒锥体的外形，使量子效率有了更大的提高。

2）金属膜反射技术
透明衬底制程首先起源于美国的HP、Lumileds等公司，金属膜反射法主要有日本、台湾厂商进行了大量的研究与发展。这种制程不但回避了透明衬底专利，而且，更利于规模生产。其效果可以说与透明衬底法具有异曲同工之妙。该制程通常谓之MB制程，首先去除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下熔接在一起。如此，从发光层照射到基板的光线被Al质金属膜层反射至芯片表面，从而使器件的发光效率提高2.5倍以上。
3）表面微结构技术  
表面微结构制程是提高器件出光效率的又一个有效技术，该技术的基本要点是在芯片表面刻蚀大量尺寸为光波长量级的小结构，每个结构呈截角四面体状，如此不但扩展了出光面积，而且改变了光在芯片表面处的折射方向，从而使透光效率明显提高。测量指出，对于窗口层厚度为20μm的器件，出光效率可增长30％。当窗口层厚度减至10μm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。
4）倒装芯片技术  
通过MOCVD技术在兰宝石衬底上生长GaN基LED结构层，由P/N结发光区发出的光透过上面的P型区射出。由于P型GaN传导性能不佳，为获得良好的电流扩展，需要通过蒸镀技术在P区表面形成一层Ni-Au组成的金属电极层。P区引线通过该层金属薄膜引出。为获得好的电流扩展，Ni-Au金属电极层就不能太薄。为此，器件的发光效率就会受到很大影响，通常要同时兼顾电流扩展与出光效率二个因素。但无论在什么情况下，金属薄膜的存在，总会使透光性能变差。此外，引线焊点的存在也使器件的出光效率受到影响。采用GaN LED倒装芯片的结构可以从根本上消除上面的问题。
5）芯片键合技术
光电子器件对所需要的材料在性能上有一定的要求，通常都需要有大的带宽差和在材料的折射指数上要有很大的变化。不幸的是，一般没有天然的这种材料。用同质外延生长技术一般都不能形成所需要的带宽差和折射指数差，而用通常的异质外延技术，如在硅片上外延GaAs和InP等，不仅成本较高，而且结合接口的位错密度也非常高，很难形成高质量的光电子集成器件。由于低温键合技术可以大大减少不同材料之间的热失配问题，减少应力和位错，因此能形成高质量的器件。随着对键合机理的逐渐认识和键合制程技术的逐渐成熟，多种不同材料的芯片之间已经能够实现互相键合，从而可能形成一些特殊用途的材料和器件。如在硅片上形成硅化物层再进行键合就可以形成一种新的结构。由于硅化物的电导率很高，因此可以代替双极型器件中的隐埋层，从而减小RC常数。
6）激光剥离技术（LLO）
激光剥离技术（LLO）是利用激光能量分解GaN/蓝宝石接口处的GaN缓冲层，从而实现LED外延片从蓝宝石衬底分离。技术优点是外延片转移到高热导率的热沉上，能够改善大尺寸芯片中电流扩展。n面为出光面：发光面积增大，电极挡光小，便于制备微结构，并且减少刻蚀、磨片、划片。更重要的是蓝宝石衬底可以重复运用。

第六章 白光LED的基础知识
1、白光LED的概念
随着ZnSe和GaN等宽带隙材料及其发光器件技术的发展，于20世纪90年代中期推出了一种白光LED。由于白光LED具有低驱动电压、快速开关响应时间、无频闪、高发光效率、小体积、低能耗、长寿命、强抗震性等特点，有望取代传统的白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯，实现环保和绿色照明光源，在军民用领域都有巨大的应用潜力和发展前景，因此白光LED被称为爱迪生发明白炽灯之后的又一次灯具技术革命，世界各国正不惜重金支持这种极具社会和经济效益的白光LED的发展。

一般人所指的白光是指白天所看到的太阳光，学理上分析后发现其蕴含自400~700nm范围的连续光谱，以目视的颜色而言，可分解成红橙黄绿蓝青紫等七色。根据LED的发光原理，一般LED只能发出单色光，为了让它发白光，工艺上必须混合两种以上互补色的光而成，1998年白光LED研发成功，经过10年多的发展，常用来形成白光LED的组合方式有三种：
1）蓝光LED与黄色荧光粉之组合 2）红/绿/蓝三色LED之组合 3）UV LED与多色荧光粉之组合
目前，掌握白光LED关键技术的厂家包括日亚化工、Cree、Lumileds、欧思朗等。

2、白光LED发光原理
1）单芯片
（1）InGaN(蓝)/YAG荧光粉
这是一种目前较为成熟的产品，其中 1W的和5W的Lumileds已有批量产品。这些产品采用芯片倒装结构，提高发光效率和散热效果。荧光粉涂覆工艺的改进，可将色均匀性提高10倍。实验证明，电流和温度的增加使LED光谱有些蓝移和红移，但对荧光光谱影响并不大。寿命实验结果也较好，Φ5的白光LED在工作1.2万小时后，光输出下降80%，而这种功率LED在工作1.2万小时后，仅下降10%，估计工作5万小时后下降30%。这种称为Luxeon的功率LED最高效率达到44.3lm/w，最高光通量为187lm，产业化产品可达120lm，Ra为75-80。


（2）InGaN(蓝)/红荧光粉+绿荧光粉
Lumileds公司采用460nmLED配以SrGa2S4：Eu2+(绿色)和SrS：Eu2+(红色)荧光粉，色温可达到3000K-6000K的较好结果，Ra达到82-87，较前述产品有所提高。
（3）InGaN(紫外)/(红+绿+蓝)荧光粉
Cree、日亚、丰田等公司均在大力研制紫外LED。Cree公司已生产出50mW、385nm—405nm的紫外LED；丰田已生产此类白光LED，其Ra大于等于90，但发光效率还不够理想；日亚于最近制得365nm、1mm2、4.6V、500mA的高功率紫外LED，如制成白色LED，会有较好效果。
ZnSe和OLED白光器件也有进展，但离产业化生产尚远。 2）双芯片
可由蓝 LED+黄LED、蓝LED+黄绿LED以及蓝绿LED+黄LED制成，此种器件成本比较便宜，但由于是两种颜色LED形成的白光，显色性较差，只能在显色性要求不高的场合使用。
3）三芯片 (蓝色+绿色+红色)LED
Philips公司用470nm、540nm和610nm的LED芯片制成Ra大于80的器件，色温可达3500K。如用470nm、525nm和635nm的LED芯片，则缺少黄色调，Ra只能达到20或30。
采用波长补偿和光通量反馈方法可使色移动降到可接受程度。美国 TIR公司采用Luxeon RGB器件制成用于景观照明的系统产品，用Lumileds制成液晶电视屏幕(22英寸)，产品的性能都不错。
4）四芯片 (蓝色+绿色+红色+黄色)LED
采用 465nm、535nm、590nm和625nm LED芯片可制成Ra大于90的白光LED。
此外， Norlux公司用90个三色芯片(R、G、B)制成10W的白光LED，每个器件光通量达130lm，色温为5500K。
LED技术指标
照明用白光LED不同于传统的LED产品，在技术性能指标上有一些特殊要求：光通量 一个Φ5 LED的光通量仅为1lm左右，而用作照明的白光功率LED希望达到1Klm。当然，光通量为0.1Klm和0.01Klm的功率LED也能达到要求较低的照明需求。由于15W白炽灯效率较低，仅8lm/w，所以一个15W白炽灯的光通量，与25lm/w的白光功率LED5W器件相当。
发光效率 目前产业化产品已从 15lm/w提高到100lm/w，研究水平为125lm/w，最高水平已达130lm/w。 色温 在 2500K-10000K之间，最好是2500K-5000K之间。 显色指数 Ra 最好是100。目前可以过到85
稳定性 波长和光通量均要求保持稳定，但其稳定性程度依照明场合的需求而定。 寿命 5万小时至10万小时。