半导体照明技术复习资料

1、1.1.1 光的本质 本质：波粒二重性(同时具有粒子性和波动性) 光速、光波长与频率关系： c= 光子具有的能量： E=h=hc/ 可见光波段：380nm780nm 波长：nm(10-9m)1.1.2.1 光的产生光的产生：温度辐射和发光（激发发光）光的产生：温度辐射和发光（激发发光）温度辐射：物质在高温下辐射出热能；温度辐射：物质在高温下辐射出热能； 激发发光：除温度以外的原因产生可见光激发发光：除温度以外的原因产生可见光 反射与折射 斯涅耳（斯涅耳（snall）定律）定律 n1sin1=n2sin2 全反射:光线从高折射率媒质进入低折射率媒质，如入射角大于临界角，入射光的能量都被反射，没有

2、折射。 全反射角：全反射角： 2 =sin-1(n1/n2)*422sairsourceescapennPP可由半导体材可由半导体材料进入到空气料进入到空气中的光功率：中的光功率：吸收吸收：光能转变成其他形式的能量)exp(0axII 1.1.3 人眼的光谱灵敏度 人眼的光谱灵敏度随环境亮度的改变而变化 明视觉：亮度超过10cd（坎德拉）.m-2. 暗视觉：环境亮度低于10-2cd/m2. 1.1.4 光度学及测量辐通量（辐射功率）：辐通量（辐射功率）：以辐射形式发射、传输或接收的功率。 单位：W； 总的辐射功率总的辐射功率为：0dPP光通量：光通量：按照CIE规定的人眼的视觉特性（CIE标准

3、光度观察者）来评价的辐通量，即用光谱灵敏度为V()函数的物理探测器所评价的辐通量。 符号F，单位：流明（lm）1975年，流明的定义为：频率为5401012赫兹，辐 通 量 为 1 / 6 8 3 W 的 单 色 辐 射 的 光 通 量 。 5401012赫兹的波长是555nm 1.1.4 光度学及测量辐通量和光通量的关系式： 对于明视觉： Km=683 lm/W对于暗视觉： Km1725 lm/WdVPKFm780380)(dVPKFm780380)( 1.1.4 光度学及测量光强度：点光源在给定的方向上，单位立体角内发射的光通量。单位：坎德拉（cd）光照度：投射在单位面积上的光通量。单位：

4、勒克斯（lx），1 lx1 lm/m2 ddFI 朗伯发光：某些面辐射源或理想的漫射面，辐射强度与表面法线和给定方向间夹角的余弦成正比cos0II 1.3.1 颜色的性质 三原色原理认为：人眼的视网膜是三种不同感色物质镶嵌而成。其分别对应于蓝(B)、绿(G)、红（R)光的特定波长。 颜色叠加原理：任何颜色都是由三原色合成的: C=XR+YG+ZBRed + Green =YellowRed + Blue =MagentaGreen + Blue =Cyan Red + Green + Blue =White1.3.1 颜色的性质采用归一化x=X/(X+Y+Z)y=Y/(X+Y+Z)z=Z/(X

5、+Y+Z)x+y+z=1颜色可以使用坐标（x,y）来确定1.3.2 国际照明委员会色度学系统 国际照明委员会规定三原色标准为 , , 如表1-3所示XYZdZPZdYPYdXPX780380780380780380)()()(色度坐标计算示例 考虑一简化的发光光谱，在460nm处的功率为0.4W，580nm处的功率为0.5W，其它波长功率为0，试计算该光谱的色度坐标6682. 00011. 05 . 06692. 14 . 0)(459. 087. 05 . 006. 04 . 0)(5745. 09163. 05 . 02908. 04 . 0)(780380780380780380dZPZ

6、dYPYdXPX270. 0Z)YY/(Xy0.338Z)YX/(Xx1.3.2.3 均匀色度标尺 CIE 1931色度图X，Y坐标转换为CIE 1960 均匀色度标尺(UCS)图u, v坐标，用公式 转换为CIE 1976 均匀色度标尺(UCS)图u, v坐标，用公式ZYXXu3154ZYXYv3156ZYXXu3154ZYXYv3159 1.3.3.1 色温和相关色温 光源的光辐射所呈现的颜色与在某一温度下黑体辐射的颜色相同时，称黑体的温度Tc为光源的色温，用绝对温度K表示。 当光源发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色接近时，黑体温度就称为该光源的相关色温。 当（u,v）色度图上，等

7、温线和色温曲线通常是垂直的 1.3.3.2 显色指数 显色指数：表明光源发射的光对被照物颜色正确反映的量称为显色指数 显指（CRI）是白光光源质量的重要参量。作业假设InGaN蓝光LED芯片是一折射率为2.5的薄层，放置在空气中，请计算其全反射角的大小，并计算由LED的其中一个平面出去到空气中的光功率的百分比。某个RGB白光LED，其光谱可简化看成是0.25W的460nm蓝光、0.2W的540nm绿光和0.25W的650nm红光组成，请计算其光通量（明视觉）大小，色度坐标（x,y）和(u,v)，并根据色温等温线，估算此光源的色温。2.1 自然光源 太阳 到达地球表面的太阳光 的 波 长 范 围

8、 ：2901700 nm，波长短于290nm的部分被臭氧所吸收，而波长大于1700 nm的部分则被大气层中的水气和二氧化碳强烈吸收。 可见光的波长范围：380780 nm之间。 部分太阳光具有与约5700K的黑体辐射能变几乎一致的连续分布 2.2.1 人工光源的发明与发展 Roland Haitz从1965年LED商业化至今的发展历程观察得出，LED的价格每10年将为原来的1/10，性能则提高20倍,这个规律被业界称为Haitz定律定律 2020年左右，半导体照明光源的效率可能达到200lm/W 2.2.4 荧光灯 Fluorescent Lamp由放电产生的紫外辐射激发荧光粉而发光的放电灯，

9、它是一种低电压汞蒸气弧光放电灯灯内含有低气压的汞蒸气和少量的惰性气体，管内壁涂有荧光粉层汞蒸气将输入电能转化成波长为253.7nm的紫外辐射，照射到荧光粉上光效为6080lm/W,寿命约800010000小时 2.2.5 低压纳灯Low-pressure sodium 灯内填充钠金属和少量Ne和Ar混合的惰性气体。 Na原子受激电离，产生共振辐射，D线：589nm和589.6nm 外套管内壁镀有反射红外线的氧化铟膜 功率18180W，光输出180033000lm，寿命值为1400018000小时 缺点是显色指数低。 2.2.6 高压放电灯 高压放电中，原子和离子被加速到很高的速度，等离子体的温

10、度在40006000K范围内，热辐射部分降低，谱线增宽，显色性大大提高 高压汞灯高压汞灯：汞蒸气在0.21MPa下，发光光谱红移且有连续本底，通过在内壁涂覆红色荧光粉，显指提高到50。光效为2050lm/W 高压钠灯高压钠灯：提高钠蒸气压，D线变宽，显指可达到60或更高，但发光效率和寿命会下降。光效100lm/W左右，主要用于道路照明。 金属卤化物灯金属卤化物灯：放电管内添加金属卤化物，可得到全光谱光源。金属和卤素原子通过扩散-分解-扩散-分解过程重复进行。光效可达到90-95lm/W，显指94。可作为一般照明和重点照明。 4.2 注入载流子的复合（1）辐射型复合）辐射型复合 电子和空穴由于碰

11、撞而复合（直接和间接） 通过杂质能级复合 通过相邻能级的复合 激子复合（2）非辐射复合）非辐射复合伴随多数的声子的复合俄歇复合器件表面的复合 4.4 异质结构和量子阱 异质结：两块具有不同带隙能量的单晶半导体连接而成的。 异质结的界面会由于晶格和热应力失配造成的缺陷，影响异质结的质量。 单异质结 双异质结Eg1Eg2npEcEvEg1npEcEvEg1Eg2p4.4 异质结构和量子阱 双异质结的有源层厚度下降到与电子的德布罗意波可比拟时（纳米量级），载流子被量子局域在很窄的势垒内，被称为量子阱结构。单量子阱和多量子阱是高亮度LED的通用结构。5.0 半导体发光材料的条件成为半导体发光材料的条件

12、成为半导体发光材料的条件： 高质量的单晶材料高质量的单晶材料。要求缺陷密度低，以III-V族材料为主 半导体带隙与可见和紫外光子能量相匹配半导体带隙与可见和紫外光子能量相匹配 直接带隙半导体直接带隙半导体。具有较高的辐射复合概率 可形成可形成N、P型材料，可制备异质结构和量子阱结型材料，可制备异质结构和量子阱结构构。)(5 .1239)(eVhvnm 5.1 砷化镓lGaAs为闪纤矿结构，直接带隙半导体，带隙宽度1.42eVl缺陷主要是位错和化学计量比偏离造成的缺陷。镓空位对发光效率的影响很大，氧和铜是重要的有害杂质。l液相外延时，高温下Si占据Ga形成施主，低温下Si占据As形成受主，发光峰

13、值为940nm。阴极射线致发光（Schubert, 1995）GaAs中的线位错（X W Liu,1999） 5.2 磷化镓 GaP是闪纤矿结构，典型的间接带隙半导体，通过掺入不同的等电子陷阱发光中心，可发红、绿等颜色的光，成为20世纪90年代前发光效率最高的可见光材料 影响材料质量主要是位错和化学计量比偏离造成的缺陷，主要是镓空位。 VI族元素硫、硒、碲为常用的N型掺杂剂；II族的锌、镉、镁是常用的P型掺杂剂 绿色LED：N取代P作为等电子陷阱。N俘获激子，产生复合。液相外延生长，效率为0.7% 黄色LED: 气相外延法生长时，可形成高浓度的氮掺杂，发光向长波长移动，峰值波长为590nm。

14、红色LED：掺入ZnO对等电子陷阱，激子复合发光峰值在700nm,发光效率可达15%。 5.3 磷砷化镓 GaAs1-xPx是由GaAs和GaP组成的固溶体。在室温下，x0.45时，间接跃迁，效率大幅度下降。 GaAs0.6P0.4峰值波长650nm GaAs1-xPx的外量子效率随x增加而减小，辐射波长随x变短，相对视见函数增加，使亮度增大，最佳值为x=0.4，峰值波长650660nm 5.4 镓铝砷 Ga1-xAlxAs是GaAs和AlAs的固溶体。在x=0.35时由直接跃迁变成间接跃迁。 GaAs和AlAs的晶格常数很接近，固溶体的晶格失配的问题很小 最佳发光效率在640660nm之间，

15、相应的x=0.340.4，内量子效率在50%左右。 双异质结结构N-Ga0.35Al0.65As/P-Ga0.65Al0.35As/P-Ga0.35Al0.65As,外量子效率达到16%，发光强度5cd。 镓铝砷体系可用液相外延法大批量生产。生成氧化钝化层可以减少Al的氧化，提高器件寿命。 5.5 铝镓铟磷 间接带隙材料AlP和GaP和直接带隙的InP组成合金时能产生直接带隙的四元AlGaInP单晶。 (AlxGa1-x)yIn1-yP的y约为0.5时晶格常数与GaAs相匹配，一般固定y=0.5，采用GaAs作为衬底。 直接带隙到间接带隙的转变出现在x约为0.65时，增加x，可使其发光从红扩展

16、到绿 AlGaInP材料采用MOCVD系统生长AlGaInP系材料是目前高亮度红光 (625 nm), 橙光(610 nm) 和黄光 (590 nm)LED产品的主要体系 5.6 铟镓氮 InGaN为直接带隙材料，带隙从1.95(636.6nm)3.4（365nm）eV。 AlGaInN的带隙扩大到6.2eV，GaN化合物是目前短波长LED最成功的材料体系。 白光LED：InGaN蓝光芯片涂覆YAG黄色荧光粉产生白光。 III族氮化物能在很高的位错密度下仍能有高的内量子效率。 由于同质衬底的获取成本较高，一般使用异质衬底。广泛使用的蓝宝石衬底晶格失配为16%，须要引入缓冲层技术以获得高质量的外

17、延层 GaN的n型杂质是Si，P型杂质是Mg。但是，Mg在NH3的作用下形成Mg-H络合物，降低了P型GaN的导电性，一般采要用热退火的方式进行活化。 AlGaInN材料主要采用MOCVD来生长6.3.3 分布布拉格反射（DBR）结构 AlGaInP采用的GaAs衬底是吸光材料；InGaN采用的Si衬底也是吸光材料，造成光效的损失。解决衬底吸光问题的一个方法是采用分布布拉格反射（Distributed Bragg Reflector, DBR）结构 6.3.4 透明衬底技术 透明衬底技术可有效的提高光输出，AlGaInP LED在636nm时获得23.7%的外量子效率电流扩展层 P型层电阻较高

18、，电极的电流注入无法均匀的扩散到整个芯片平面，造成所谓电流拥挤效应。 实用的大功率LED芯片基本都须要采用电流扩展层。AlGaInP采用GaP或AlGaAs电流扩展层, InGaN采用Ni/Au或ITO扩展层。 电流扩展层的使用，可以使LED发光有效增强。6.3.7 表面纹理结构 由于芯片表面存在全反射界面，LED的卒取效率不到20% 表面纹理技术就是通过破坏表面的全反射界面，来提高卒取效率的一种方法 包括表面粗化和表面光子晶体两种方式。Appl.Phys.Lett. 86 ,052108(2005)Proc. SPIE 5941, 2005，59410M 6.4.5 寿命 对于单色光LED或

19、白光LED（不考虑色温时）可根据不同应用要求，取光通量衰减到初始值的50或70作为失效判据。 Pt = P0 exp(-t) P0为初始光通量(或光功率)；Pt为加温加电后对应某一工作时间的光通量（或光功率）；为某一结温下的退化系数；t为某一产品的试验截止时间。 一般采用加速老化的方法来外推LED的寿命，加速的方法包括高电流或高温的方法。 目前，白光LED的寿命在210万小时 6.4.7 热阻热阻的物理定义是沿热传导路径上的温差与该热传导路径上的耗散的功率的比值，用公式表示为： A和B分别代表传热路径中的高温节点和低温节点。对于LED来说，A节点是指芯片的结区，而B节点则是根据不同的定义取定的

20、参考点。 ABABABTTRP9.4.4 氧化铟锡（ITO） 氧化铟锡(indium tin oxide,ITO)一种铟（III族）氧化物 (In2O3) and 锡（IV族）氧化物 (SnO2)的混合物，通常质量比为90% In2O3，10% SnO2 禁带宽度3.754.0eV,在可见光区的透过率在90%以上。 重掺杂，载流子浓度在10191021cm-3之间，具有优良的导电性，大量用于LED芯片的电流扩展层和增透层 通常是用电子束蒸发、物理气相沉积、或者一些溅射沉积技术的方法沉积到表面 铟的价格高昂和供应受限、ITO层的脆弱和柔韧性的缺乏、以及昂贵的层沉积要求真空，其它取代物正被设法寻找

21、。芯片制造 (Chip Fabrication) 四元 (AlGaInP)氮化镓 (GaN)Sapphiren-GaNp-GaNAuSapphiren-GaNp-GaNTCL or ITOSiO2Pad (CrPtAu)p- GaPp- AlGaInPn- AlGaInPn- GaAsp- GaPp- AlGaInPn- AlGaInPn- GaAsP-Pad背金 P-PadP-PadN-PadTCL倒装芯片技术（Flip chip）普通平面工艺普通平面工艺LED倒装金属衬底垂直倒装金属衬底垂直LED优点：垂直电阻小，电压低优点：垂直电阻小，电压低缺点：工艺复杂缺点：工艺复杂优点：工艺较简单优

22、点：工艺较简单缺点：衬底太厚，引起光损；缺点：衬底太厚，引起光损； 平面电阻较大，电压较高；平面电阻较大，电压较高；改进：衬底减薄，背镀改进：衬底减薄，背镀LED的封装方式 常规小功率LED的封装形式主要有：；表面贴装式SMD LED；食人鱼Piranha LED；小功率小功率LED封装流程封装流程electrodessemiconductor chipepoxydomebond wires“silver cup”reflectorA packaged LEDDifferent parts of an LED标准封装流程：标准封装流程：功率功率LED的封装流程的封装流程封装流程：封装流程：配荧

23、光粉固化固胶5、焊线8、固化与后固化7、灌胶6、烘烤除湿9、测试1、清洗支架芯片芯片2、点胶3、固晶4、烧结13.1 发光器件的效率 发光效率： 单位电功率（W）下输出的光通量（lm) 功率效率：输入功率（W）转变成辐射功率(W)效率)/(0WlmIVFPFe%1001IVFPPep1,F 分别为总的光通量和照明效率13.1.3 量子效率 量子效率是注入载流子复合产生光量子的效率 分为内量子效率 和外量子效率 内量子效率：单位时间有源层产生的光子与注入到PN结中的电子的比值 外量子效率：单位时间辐射到器件外部的光子与注入到LED中的电子的比值 分别为注入效率和卒取效率（extraction e

24、fficiency）eexijeiexj,13.2 电学参数 正向电压VF ：通过正向电流为规定值时，在两极间产生的电压降。一般在1.43V。在外界温度升高时，VF将下降。 LED 的I-V特性 反向击穿电压VR：一定漏电流下器件两端的反向电压值。严格取反向10uA时的电压 反向电流IR：给定反向电压下流过器件的反向电流值。一般取-5V条件下测量。13.2.2 总电容 总电容C：结电容Cj和管壳电容之和 响应时间：上升时间tr，下降时间tf 当LED接在高频电路中使用时，要考虑到结电容和上升、下降时间，否则LED无法正常工作。在高频电路中使用LED时，还要考虑以下两个因素：相对亮度IF 13.

25、3 光电特性参数光电响应特性 把光信号随电信号变化的快慢称为响应响应 响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。 不同材料制得的LED响应时间各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs、GaN其响应时间10-9S，GaP为10-7 S。因此它们可用在10100 MHz高频系统13.4.1 法向光强I0的测定 有了标准光源和校正好的视见函数接收器，即可进行I0的测定。 测量距离按CIE推荐的标准条件A和B设置 探测器要求一个面积为100mm2的圆入射孔径13.4.3 总光通量的测量 总光通量的测量方法有分布光度计和积分球系统 分布光度计测量又包括照度分布积分法和光强积分法 光强积

26、分法 照度分布积分法 分布光度计方法难度较大，没能广泛应用。目前，科研和产业界均采用积分球方法ddITOTsin),(200 )(STOTdSE13.4.3 总光通量的测量积分球系统： 两个半球体合成的空心球体，球的半径应比待测器件的线度大得多 球的内表面涂有白色反光涂料（如氧化镁、硫酸钡等），以产生漫反射 在垂直位置放置测视见函数接收器 先将标准器件放在入射窗口进行定标，再换成待测器件，测量出光通量F13.5 色度学参数光谱分布曲线： 发光的相对强度（能量）随波长变化的分布曲线 光谱分布与发光材料的种类、性质以及发光机构（外延层厚度、掺杂杂质）有关，而与器件几何形状、封装方式等无关 峰值波长

27、：光谱分布曲线的发光强度最大处对应的波长 光谱辐射带宽：功率的半强度功率点对应的波长范围x1x2p14.1.2 可靠性的定义 在实际工作中，一个发光二极管由于各种偶然的因素而失效，具有一定的随机性。但大量的样品的失效统计具有规律性。 当投入实验的样品充分大时，在某个时刻t时，失效的样品数m（t）与试验样品数n的比值，失效发生的概率，具有一定的规律。 将可靠性用概率表示时为可靠度R： 把抽象的可靠性用数学形式的概率表示，这就是可靠性技术发展的出发点ntmntPtR)()()(14.1.3 LED可靠性的相关概念 失效：执行规定功能（如光通量、发光效率、正向压降、反向漏电流等）的能力的终止 严重失效：关键的光电参数改变至LED不能点亮的程度。 参数失效：关键的光电参数由初始值改变至超过一定程度。 失效率（）：单位工作时间内LED严重失效数的百分比14.1.3 LED可靠性的相关概念 大量的实验发现，LED的失效随时间的统计分布规律呈浴盆状 段，又称随机失效阶段。失效率很低且很稳定，近似为常数，器件失效往往带偶然性，为使用最佳期。 第三阶段：损耗