光电产业专业基础知识大全
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6、用于制造高亮度LED的材料、器件及相应的技术如表1-1所示。
表1-1.高亮度LED商品技术
材料
技术
颜色
起始年代
AlGaAs
LPE,金属有机物化学气相沉积(MOCVD)
红外、红(880~650nm)
1983
AlGaInP
低压金属有机物化学气相沉积(LPMOCVD)
红、橙、黄、绿(650~570nm)
（Байду номын сангаас/klm）
光效（lm/w）
显色指数CRI
白炽灯
>100w
15
100
1
0.2
<40w
8
100
3
0.2
荧光灯
大功率
70~100
70~90
20
1~2
紧凑型
55~80
85
10
1~3
白光LED
2010年
120
80+
>40
<8
2015年目标
150
80+
>50
<2
（二）光通量（lm/灯）
通常所说的白炽灯发光效率为15lm/w，是在较高的输入功率时才达到，15~60w的白炽灯发光效率仅为8~10lm/w，这为LED光源取代白炽灯提供了有利条件。但单颗LED作为照明光源，其光通量较小。将多颗LED组合起来，需要解决其可靠性等技术问题，从而达到照明需求。
(10)DRL（Daytime Running Light）,白天辅助灯;
(11)卤素灯（Halogen Lamp）
(12)光学引擎（light engine）
(13) MTBF,即平均无故障时间，英文全称是“Mean Time Between Failure;
(14) MTTR（mean time to restoration，平均恢复前时间）;
7、LED发光原理
LED发光原理如图1-3所示。当外加足够高的电压V，且P型材料接正极，N型材料接负极时，电子和空穴将克服P-N结处的势垒，分别流向P区和N区，在P-N结处，电子和空穴相遇、复合、发光。
半导体发光材料的基础条件是半导体带隙宽度与可见光、红外、紫外光子能量相匹配。光子的能量与波长的关系为:λ(nm)=1239.5/hv(eV)
图1-5. CIE1931年色度图
（五）寿命（万小时）
LED光源寿命通常取光通量下降到初始值的50%和70%的时间来定义，技术手册和标准一般以70%来定义LED寿命值。对于功率型LED，2007年的技术指标大于2万小时，2015年达到5万小时。一般来说，大于2万小时能够满足一般的应用，大于3万小时能够满足绝大部分的应用。
(20)COB（Chip on Board）,基板上芯片;
(21)MCPCB（Metal CorePrinted Circuit Board，MCPCB），是指金属基印刷电路板,即是将原有的印刷电路板附贴在另外一种热传导效果更好的金属上，可改善电路板层面的散热;
5、Haitz定律
安捷伦（LED领域领导厂商）的前任技术科学家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（年增长率为35%），这个规律被业界称为Haitz定律。
4、术语缩写
（1）气相外延（VPE，Vapor Phase Epitaxy）；
（2）MOCVD（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉积）；
（3）低压金属有机物化学气相沉积(LPMOCVD)
（4）双气流金属有机物化学气相沉积(TFMOCVD)
1991
InGaN
双气流金属有机物化学气相沉积(TFMOCVD)
绿、蓝、紫外(525~385nm)
1993
20世纪90年代初由美国HP公司和日本Toshiba公司采用LPMOCVD技术研制成功的InGaAlP LED器件，由于发光效率高，颜色范围宽，受到广泛重视，发展迅速。通常采用GaAs作衬底，其后有人开发GaP透明衬底技术，使双异质结器件发光效率达到20lm/w，这使LED的发光效率超过白炽灯的15lm/w，后又提高到40lm/w，采用量子阱（QW）结构和倒装（TIP）结构技术，红、黄光LED可分别达到102lm/w和68lm/w。
（六）稳定性
LED稳定性包括光通量、色度、色温、LED产品耐候性等多方面的，视照明环境要求而定。娱乐场所亮度和颜色处于变化当中，对稳定性要求不高。对于展览馆、阅览室、商业的照明产品稳定性要求较高。
（七）热阻（℃/W）
热阻是热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明1W热量所引起的温升大小。热阻是表针LED导热性能的重要参量之一，LED的发光效率随着温度升高而降低，关系到器件或灯具的寿命。LED的热阻可有热阻测试仪测得，1W功率LED的热阻值一般在10~20℃/W之间，较好的为3~5℃/W，随着优质导热材料的采用和器件热结构技术的提升，功率LED的热阻值有望继续减小。
较先进技术的设备是金属有机物化学气相沉积（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD），可以方便地制造异质结、量子阱和超晶格结构。先进的MOCVD设备能够同时生长多片均匀材料，设备的精确过程控制是确保重复和灵活调节生产先进外延材料结构的必要条件。故设备必须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，以确保热场均匀、气流稳定，生长出来的外延片在厚度、组成、掺杂均匀。
（八）抗静电性能
InGaN类LED，特别是蓝宝石衬底的LED，由于蓝宝石是绝缘体，器件极易受静电放电而损坏。LED器件对静电放电的灵敏度等级分为三类：Ⅰ类≤100V；Ⅱ类≤500V；Ⅲ类≤1000V。InGaN类LED为Ⅰ类器件。
经过对器件结构的不断改进，InGaN类蓝光、绿光高亮度器件的抗静电能力提高到500V和1000V，少数达到4000V。尽管抗静电性能已有较大提升，但在制造、测量、安装、存储、使用等环节仍需要注意防静电。
1993年日本日亚公司的中村修二采用双气流金属有机化学气相沉积技术（TFMOCVD），成功研制以蓝宝石为衬底的高亮度蓝光LED，不久又相继推出绿光、黄绿光LED。美国CREE公司采用SiC衬底的InGaN蓝光器件，由于其晶格失配小，为3.4%，热膨胀系数失配小为+25%，蓝宝石衬底分别为13.8%和-34%，且导热性能良好。2006年6月，小尺寸白光LED光效获得131lm/w。2008年12月，CREE 1W功率LED达到161lm/w。2010年2月，CREE白光LED，色温4579K光效达到208lm/w。德国Osram公司改进InGaAlP LED的出光效率，614nm的红光LED发光效率达到108lm/w。
外延生长纯度好
外延膜厚度控制佳，平整度控制佳
成本高
HB-LED
LD
……
9、LED的特征参数
（一）发光效率（lm/w）
发光效率是衡量电光源质量高低的重要参数之一。表1-4表示了传统光源与LED光源的典型特性和成本比较。
表1-4.传统电光源与LED光源的典型特性和成本比较
光源类型
规格
性能
寿命
（kh）
成本
(15) PSS（Pattern Sapphire Substrate，蓝宝石图形衬底）
(16)ECFA,英文为Economic Cooperation Framework Agreement;海峡两岸经济合作框架协议
(17)SRP,等离子激元共振
(18)AC-LED( ),交流发光二极管;
(19)HV-LED（）,高电压发光二极管;
1、光通量：单位时间辐射光能量的多少，单位流明(LM)。
2、LED发展背景
1879年爱迪生发明白炽灯，是第一代电光源的代表产品。
1911年美国发明家Peter Cooper Hewitt申请低压汞灯的专利，该灯是现今荧光灯的雏形。如今，荧光灯的光效达到65~100lm/w，荧光灯是第二代电光源。
1961年GE的Gilbert Reiling申请第一个金属卤化物灯专利，并在1964年的世博会展出。HID（High Intensity Discharge）被认为是第三代电光源。
表1-6.传统光源的发光效率与显色性
14.4
100
17
100
65
80
93
80
86
60
116
25
178
45
54
50
随着LED封装工艺、荧光粉及其涂覆技术的进步，LED光源能够在提高其发光效率的同时提高其显色性。
（四）色温（K）
色温特性能够用色坐标（X、Y）量化，图1-5为1931年CIE色度图。根据X、Y值可得到色温或相关色温。例如，混合485nm蓝光和583nm橙黄光两种等强度的LED光，能够得到色温大约4000K的白光。
（三）显色指数（CRI，Ra）
不同环境对照明光源的显色指数Ra有不同的要求，如表1-5所示。
表1-5.环境对照明光源显色性的要求
环境
Ra
室内展览馆、商店
90+
室内办公室、家居
80
室内车间
60
室外行人区
60+
室外一般照明
40-
传统光源中，发光效率与显色性是个矛盾。显色性好的光源其发光效率低，且传统光源长期在显色性指标上进展不大。而发光效率高的传统光源显色性较差，如钠灯。传统光源的发光效率与显色性如表1-6所示。
图1-3. LED发光原理
1ev=1.6*10-19J;
8、LED材料生长工艺
大多数Ⅲ-Ⅴ族二元化合物半导体都能直接在熔体中生长单晶，再进行离子注入等技术形成P-N结，制成场效应管和双极型晶体管。以及同质结构的LED，但GaAs和GaP都在红外光谱区域。发射可见光谱的高性能异质结合量子阱LED的合金层的复杂结构难以用熔体生长单晶，高亮度LED材料只能用外延技术生长。较早生长GaAs1-xPx等材料是气相外延法（Vapor Phase Epitaxy，VPE），它是用Ⅲ族卤化物和Ⅴ族氢化物为原料，缺点是不够灵便，不能生长很薄的外延层和复杂的结构。另一种早期方法是液相外延（Liquid Phase Epitaxy，LPE），能够生长较高质量的LED材料，也能生长异质结，较早用于GaP和GaAlAs材料生长。
ITO是一种N型氧化物半导体-氧化铟锡,ITO薄膜即铟锡氧化物半导体透明导电膜，通常有两个性能指标：电阻率和透光率。
在氧化物导电膜中，以掺Sn的In2O3(ITO)膜的透过率最高和导电性能最好，而且容易在酸液中蚀刻出细微的图形，其中透光率达90%以上。
（9）HID就是High intensity Discharge高压气体放电灯的英文缩写，是汞、纳、金、氙灯的统称，即汞灯、钠灯、金卤灯、氙灯。
（5）金属有机源（Metal Organic）简称为MO源，是LED产业链的源头材料
（6）卤素灯（Halogen Lamp）
（7）NTSC彩色电视广播标准
（8）ITO是Indium Tin Oxides的缩写，纳米铟锡金属氧化物。铟锡氧化物通常喷涂在玻璃、塑料及电子显示屏上，用作透明导电薄膜，同时减少对人体有害的电子辐射及紫外、红外。
表1-2.各种外延生长方法比较
外延工艺
特色
优势
劣势
主要应用
LPE
以熔融态的液态材料直接与基板接触而沉积晶膜
操作简单、外延生长速度快
外延膜厚度控制差，平整度控制差
传统LED
VPE
以气体或电浆材料传输至基板促进表面粒子凝结
外延生长速度快
外延膜厚度控制差，平整度控制差
传统LED
MOCVD
将有机金属以气态扩散到基板促使表面粒子凝结
发光二极管LED（Light Emitting Diode）被认为是第四代电光源。
3、光照度：即通常所说得勒克司度（lux），表示被摄主体表面单位面积上受到的光通量。
1勒克司相当于1流明/平方米，即被摄主体每平方米的面积上，受距离一米、发光强度为1烛光的光源，垂直照射的光通量。光照度是衡量拍摄环境的一个重要指标。
目前国际上供应MOCVD的设备主要有美国的Veeco公司和德国的Aixtron公司（英国的Thomas Swan公司已被Aixtron并购），日本的Nippon Sanso公司。而日本Nippon Sanso公司的MOCVD只供日本市场。
LPE、VPE、MOCVD三种主要外延生长技术的比较如表1-2所示。
10、MO源
金属有机源（Metal Organic），是适于MOCVD技术应用的一类金属有机化合物，常被简称为MO源。高纯MO源是现代化合物半导体产业的支撑原材料，是LED产业链的源头材料。由于MO源产品要求纯度极高，而且绝大多数MO源对氧气、水汽极为敏感，遇空气可能发生自燃，遇水可发生爆炸，且毒性大，所以MO源的研制是极端条件下的合成制备、超纯纯化、分析、灌装等于一体的高新技术之一。
表1-1.高亮度LED商品技术
材料
技术
颜色
起始年代
AlGaAs
LPE,金属有机物化学气相沉积(MOCVD)
红外、红(880~650nm)
1983
AlGaInP
低压金属有机物化学气相沉积(LPMOCVD)
红、橙、黄、绿(650~570nm)
（Байду номын сангаас/klm）
光效（lm/w）
显色指数CRI
白炽灯
>100w
15
100
1
0.2
<40w
8
100
3
0.2
荧光灯
大功率
70~100
70~90
20
1~2
紧凑型
55~80
85
10
1~3
白光LED
2010年
120
80+
>40
<8
2015年目标
150
80+
>50
<2
（二）光通量（lm/灯）
通常所说的白炽灯发光效率为15lm/w，是在较高的输入功率时才达到，15~60w的白炽灯发光效率仅为8~10lm/w，这为LED光源取代白炽灯提供了有利条件。但单颗LED作为照明光源，其光通量较小。将多颗LED组合起来，需要解决其可靠性等技术问题，从而达到照明需求。
(10)DRL（Daytime Running Light）,白天辅助灯;
(11)卤素灯（Halogen Lamp）
(12)光学引擎（light engine）
(13) MTBF,即平均无故障时间，英文全称是“Mean Time Between Failure;
(14) MTTR（mean time to restoration，平均恢复前时间）;
7、LED发光原理
LED发光原理如图1-3所示。当外加足够高的电压V，且P型材料接正极，N型材料接负极时，电子和空穴将克服P-N结处的势垒，分别流向P区和N区，在P-N结处，电子和空穴相遇、复合、发光。
半导体发光材料的基础条件是半导体带隙宽度与可见光、红外、紫外光子能量相匹配。光子的能量与波长的关系为:λ(nm)=1239.5/hv(eV)
图1-5. CIE1931年色度图
（五）寿命（万小时）
LED光源寿命通常取光通量下降到初始值的50%和70%的时间来定义，技术手册和标准一般以70%来定义LED寿命值。对于功率型LED，2007年的技术指标大于2万小时，2015年达到5万小时。一般来说，大于2万小时能够满足一般的应用，大于3万小时能够满足绝大部分的应用。
(20)COB（Chip on Board）,基板上芯片;
(21)MCPCB（Metal CorePrinted Circuit Board，MCPCB），是指金属基印刷电路板,即是将原有的印刷电路板附贴在另外一种热传导效果更好的金属上，可改善电路板层面的散热;
5、Haitz定律
安捷伦（LED领域领导厂商）的前任技术科学家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（年增长率为35%），这个规律被业界称为Haitz定律。
4、术语缩写
（1）气相外延（VPE，Vapor Phase Epitaxy）；
（2）MOCVD（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉积）；
（3）低压金属有机物化学气相沉积(LPMOCVD)
（4）双气流金属有机物化学气相沉积(TFMOCVD)
1991
InGaN
双气流金属有机物化学气相沉积(TFMOCVD)
绿、蓝、紫外(525~385nm)
1993
20世纪90年代初由美国HP公司和日本Toshiba公司采用LPMOCVD技术研制成功的InGaAlP LED器件，由于发光效率高，颜色范围宽，受到广泛重视，发展迅速。通常采用GaAs作衬底，其后有人开发GaP透明衬底技术，使双异质结器件发光效率达到20lm/w，这使LED的发光效率超过白炽灯的15lm/w，后又提高到40lm/w，采用量子阱（QW）结构和倒装（TIP）结构技术，红、黄光LED可分别达到102lm/w和68lm/w。
（六）稳定性
LED稳定性包括光通量、色度、色温、LED产品耐候性等多方面的，视照明环境要求而定。娱乐场所亮度和颜色处于变化当中，对稳定性要求不高。对于展览馆、阅览室、商业的照明产品稳定性要求较高。
（七）热阻（℃/W）
热阻是热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明1W热量所引起的温升大小。热阻是表针LED导热性能的重要参量之一，LED的发光效率随着温度升高而降低，关系到器件或灯具的寿命。LED的热阻可有热阻测试仪测得，1W功率LED的热阻值一般在10~20℃/W之间，较好的为3~5℃/W，随着优质导热材料的采用和器件热结构技术的提升，功率LED的热阻值有望继续减小。
较先进技术的设备是金属有机物化学气相沉积（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD），可以方便地制造异质结、量子阱和超晶格结构。先进的MOCVD设备能够同时生长多片均匀材料，设备的精确过程控制是确保重复和灵活调节生产先进外延材料结构的必要条件。故设备必须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，以确保热场均匀、气流稳定，生长出来的外延片在厚度、组成、掺杂均匀。
（八）抗静电性能
InGaN类LED，特别是蓝宝石衬底的LED，由于蓝宝石是绝缘体，器件极易受静电放电而损坏。LED器件对静电放电的灵敏度等级分为三类：Ⅰ类≤100V；Ⅱ类≤500V；Ⅲ类≤1000V。InGaN类LED为Ⅰ类器件。
经过对器件结构的不断改进，InGaN类蓝光、绿光高亮度器件的抗静电能力提高到500V和1000V，少数达到4000V。尽管抗静电性能已有较大提升，但在制造、测量、安装、存储、使用等环节仍需要注意防静电。
1993年日本日亚公司的中村修二采用双气流金属有机化学气相沉积技术（TFMOCVD），成功研制以蓝宝石为衬底的高亮度蓝光LED，不久又相继推出绿光、黄绿光LED。美国CREE公司采用SiC衬底的InGaN蓝光器件，由于其晶格失配小，为3.4%，热膨胀系数失配小为+25%，蓝宝石衬底分别为13.8%和-34%，且导热性能良好。2006年6月，小尺寸白光LED光效获得131lm/w。2008年12月，CREE 1W功率LED达到161lm/w。2010年2月，CREE白光LED，色温4579K光效达到208lm/w。德国Osram公司改进InGaAlP LED的出光效率，614nm的红光LED发光效率达到108lm/w。
外延生长纯度好
外延膜厚度控制佳，平整度控制佳
成本高
HB-LED
LD
……
9、LED的特征参数
（一）发光效率（lm/w）
发光效率是衡量电光源质量高低的重要参数之一。表1-4表示了传统光源与LED光源的典型特性和成本比较。
表1-4.传统电光源与LED光源的典型特性和成本比较
光源类型
规格
性能
寿命
（kh）
成本
(15) PSS（Pattern Sapphire Substrate，蓝宝石图形衬底）
(16)ECFA,英文为Economic Cooperation Framework Agreement;海峡两岸经济合作框架协议
(17)SRP,等离子激元共振
(18)AC-LED( ),交流发光二极管;
(19)HV-LED（）,高电压发光二极管;
1、光通量：单位时间辐射光能量的多少，单位流明(LM)。
2、LED发展背景
1879年爱迪生发明白炽灯，是第一代电光源的代表产品。
1911年美国发明家Peter Cooper Hewitt申请低压汞灯的专利，该灯是现今荧光灯的雏形。如今，荧光灯的光效达到65~100lm/w，荧光灯是第二代电光源。
1961年GE的Gilbert Reiling申请第一个金属卤化物灯专利，并在1964年的世博会展出。HID（High Intensity Discharge）被认为是第三代电光源。
表1-6.传统光源的发光效率与显色性
14.4
100
17
100
65
80
93
80
86
60
116
25
178
45
54
50
随着LED封装工艺、荧光粉及其涂覆技术的进步，LED光源能够在提高其发光效率的同时提高其显色性。
（四）色温（K）
色温特性能够用色坐标（X、Y）量化，图1-5为1931年CIE色度图。根据X、Y值可得到色温或相关色温。例如，混合485nm蓝光和583nm橙黄光两种等强度的LED光，能够得到色温大约4000K的白光。
（三）显色指数（CRI，Ra）
不同环境对照明光源的显色指数Ra有不同的要求，如表1-5所示。
表1-5.环境对照明光源显色性的要求
环境
Ra
室内展览馆、商店
90+
室内办公室、家居
80
室内车间
60
室外行人区
60+
室外一般照明
40-
传统光源中，发光效率与显色性是个矛盾。显色性好的光源其发光效率低，且传统光源长期在显色性指标上进展不大。而发光效率高的传统光源显色性较差，如钠灯。传统光源的发光效率与显色性如表1-6所示。
图1-3. LED发光原理
1ev=1.6*10-19J;
8、LED材料生长工艺
大多数Ⅲ-Ⅴ族二元化合物半导体都能直接在熔体中生长单晶，再进行离子注入等技术形成P-N结，制成场效应管和双极型晶体管。以及同质结构的LED，但GaAs和GaP都在红外光谱区域。发射可见光谱的高性能异质结合量子阱LED的合金层的复杂结构难以用熔体生长单晶，高亮度LED材料只能用外延技术生长。较早生长GaAs1-xPx等材料是气相外延法（Vapor Phase Epitaxy，VPE），它是用Ⅲ族卤化物和Ⅴ族氢化物为原料，缺点是不够灵便，不能生长很薄的外延层和复杂的结构。另一种早期方法是液相外延（Liquid Phase Epitaxy，LPE），能够生长较高质量的LED材料，也能生长异质结，较早用于GaP和GaAlAs材料生长。
ITO是一种N型氧化物半导体-氧化铟锡,ITO薄膜即铟锡氧化物半导体透明导电膜，通常有两个性能指标：电阻率和透光率。
在氧化物导电膜中，以掺Sn的In2O3(ITO)膜的透过率最高和导电性能最好，而且容易在酸液中蚀刻出细微的图形，其中透光率达90%以上。
（9）HID就是High intensity Discharge高压气体放电灯的英文缩写，是汞、纳、金、氙灯的统称，即汞灯、钠灯、金卤灯、氙灯。
（5）金属有机源（Metal Organic）简称为MO源，是LED产业链的源头材料
（6）卤素灯（Halogen Lamp）
（7）NTSC彩色电视广播标准
（8）ITO是Indium Tin Oxides的缩写，纳米铟锡金属氧化物。铟锡氧化物通常喷涂在玻璃、塑料及电子显示屏上，用作透明导电薄膜，同时减少对人体有害的电子辐射及紫外、红外。
表1-2.各种外延生长方法比较
外延工艺
特色
优势
劣势
主要应用
LPE
以熔融态的液态材料直接与基板接触而沉积晶膜
操作简单、外延生长速度快
外延膜厚度控制差，平整度控制差
传统LED
VPE
以气体或电浆材料传输至基板促进表面粒子凝结
外延生长速度快
外延膜厚度控制差，平整度控制差
传统LED
MOCVD
将有机金属以气态扩散到基板促使表面粒子凝结
发光二极管LED（Light Emitting Diode）被认为是第四代电光源。
3、光照度：即通常所说得勒克司度（lux），表示被摄主体表面单位面积上受到的光通量。
1勒克司相当于1流明/平方米，即被摄主体每平方米的面积上，受距离一米、发光强度为1烛光的光源，垂直照射的光通量。光照度是衡量拍摄环境的一个重要指标。
目前国际上供应MOCVD的设备主要有美国的Veeco公司和德国的Aixtron公司（英国的Thomas Swan公司已被Aixtron并购），日本的Nippon Sanso公司。而日本Nippon Sanso公司的MOCVD只供日本市场。
LPE、VPE、MOCVD三种主要外延生长技术的比较如表1-2所示。
10、MO源
金属有机源（Metal Organic），是适于MOCVD技术应用的一类金属有机化合物，常被简称为MO源。高纯MO源是现代化合物半导体产业的支撑原材料，是LED产业链的源头材料。由于MO源产品要求纯度极高，而且绝大多数MO源对氧气、水汽极为敏感，遇空气可能发生自燃，遇水可发生爆炸，且毒性大，所以MO源的研制是极端条件下的合成制备、超纯纯化、分析、灌装等于一体的高新技术之一。