外延片相关知识
外延芯片部分
1、什么是外延和外延片?
外延也称为外延生长，是制备高纯微电子复合材料的一工艺过程，就是在单晶(或化合物)衬底材料上淀积一层薄的单晶(或化合物)层。新淀积的这层称为外延层。淀积有外延层的衬底材料叫外延片。
2、哪些材料可以用作生长外延层的衬底材料，它们各自有哪些优缺点?
用得最广泛的衬底材料是砷化镓，可用于生长外延层GaAs、GaP、GaAlAs、InGaAlP，其优点是由于GaAs的晶格常数比较匹配可制成无位错单晶，加工方便，价格较便宜。
缺点是它是一种吸光材料，对PN结发的光吸收比较多，影响发光效率。
磷化镓可生长GaP：ZnO、GaP：N、GaAs、GaAlAs：N以及InGaAlP的顶层，其优点是它是透明材料，可制成透明衬底提高出光效率。
生长InGaN和InGaAlN的衬底主要有蓝宝石(Al2O3)、碳化硅和硅。蓝宝石衬底的优点是透明，有利于提高发光效率，目前仍是InGaN外延生长的主要衬底。
缺点是有较大的晶格失配;硬度高，造成加工成本高昂;热导率较低，不利于器件的热耗散，对制造功率LED不利。碳化硅衬底有较小的晶格失配，硬度低，易于加工，导热率较高，利于制作功率器件。
3、LED的发光有源层??PN结是如何制成的?
哪些是常用来制造LED的半导体材料?
LED的实质性结构是半导体PN结。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。 常用来制造LED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，其它还有Ⅳ族化合物半导体碳化硅，Ⅱ?Ⅵ族化合物硒化锌等。
4、MOCVD是什么?
MOCVD是Metel-Organic Chemical Vapor Deposition的简称，即金属有机物化学气相淀积，它是外延生长的一项技术，它是利用特制的设备，以金属有机物源(MO源)作原料，用氢气或氮气作为载气，通入液体中携带出蒸汽，与Ⅴ族的氢化物混合，再通入反应室，在加热的衬底表面发生反应，外延生长化合物晶体薄膜。
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。经实用表明，这是一种具有高可靠性、控制厚度精确、组成掺杂浓度精度高、垂直性好、灵活性大、非常适合于进行Ⅲ?Ⅴ族化合物半导体及其固溶体的外延生长的方法，也可应用于Ⅱ?Ⅵ族化合物等材料的生长，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。现人们通常也把这种特制的设备笼统地叫作MOCVD。
5、什么是MO源?
MO源即Metel Organic源，金属有机物源，它是MOCVD外延生长的原材料。Ⅱ、Ⅲ族金属有机化合物通常为甲基或乙基化合物，如Ga(CH3)3，In(CH3) 3，Al(CH3)3，Ga(CH3)3，Zn(CH3)3等，它们大多数是高蒸汽压的液 体或固体。
6、什么是LED的内量子效率?
当在LED的PN结上施加正向电压时，PN结会有电流流过。电子和空穴在PN过渡层中复合会产生光子，然而并不是每一对电子?空穴对复合都会产生光子，由于LED的PN结，作为杂质半导体，存在着材料品质缺陷、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的问题，使电子从激发态跃迁到基态时会与晶格原子或离子交换能量而发生无辐射跃迁，也就是不产生光子，这部分能量不转换成光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，可以用式1表示这一转换效率，并符号ηint表示。 ηint=(复合载流子产生的光子数/复合载流子总数)×100? (1) 我们无法去计数式(1)中的复合载流子总数和产生的光子总数。一般是通过测量LED输出的光功率来评价这一效率，这个效率ηint就称为内量子效率。
8、有哪些生长LED有源层的外延方法?它们个自有什么特点?
有气相外延(VPE)、液相外延(LPE)、金属有机物化学气相淀积(MOCVD)、分子束外延(MBE)。它们生长LED有源层的材料分别有气相外延GaAsP、GaP，液相外延GaP、GaAlAs，金属有机物化学气相淀积InGaAlP、IGanN，分子束外延ZnSe等。 气相外延比较简单便，往往在外延生长后要再通过用扩散的方法制作PN 结，所以效率低。液相外延已能一炉生长60?100片，生产效率较高，通过镓的重复使用成本已降的很低，可以制造高亮度GaP绿色发光器件和一般亮度GaP红色发光器件，也可用它制造超高亮度GaAlAs发光器件。金属有机物化学气相淀积法是目前生产超高亮度InGaN蓝、绿色LED和InGaAlP红、黄色LED的主要方法，它既能精确控制厚度，又能精密控制外延层的组成。分子束外延目前主要用于研制白色发光二极管，效果很好，能生长小于10埃的外延层，缺点是生长速度慢，每小时约1微米，装片容量也颇少，生产效率较低。
9、当前，生产超高亮LED的外延方法主要有几种?
当前，生产超高亮LED的外延方法主要有两种，即液相外延生产AlGaAs LED和金属有机物化学气相淀积(MOCVD)生产AlGaAs、AlGaInP、InGaN LED。其中尤以MOCVD方法为主。
10、当前，用作半导体照明光源的高效LED的外延层结构有何创新?
为了提高LED的发光效率，对其外延结构进行了许多改进，目前都已应用到产品上，对LED发光效率的提高起到了极重要的作用。分别是：
①单量子阱(SQW)结构;
②多量子阱(MQW)结构;
③分布布拉格反射(DBR)结构;
④透明衬底技术(TS);
⑤镜面衬底法(MS);
⑥透明胶质粘结型;
⑦纹理表面结构。
LED应用篇
1、单个LED的流明效率与用LED作光源构成的灯具的流明效率有什么异同?
针对某一个特定的LED，加上规定的正向偏置，例如加上IF=20mA正向电流后(对应的VF≈3.4V)，测得的辐射光通量Φ=1.2lm，则这个LED的流明效率为： η=1.2lm×1000/3.4V×20mA=1200/68≈17.6lm/W 显然，对于单个LED，如施加的电功率Pe=VF×IF，那么在这个功率下测得的辐射光通量折算为每瓦的流明值即为单个LED的流明效率。
但是，作为一个灯具，不论LED PN结上实际加上的功率VF×IF是多少，灯具的电功率总是灯具输入端口送入的电功率，它包括了电源部分(如稳压器、稳流源、交流整流成直流电源部分等)所消耗的功率。灯具中，驱动电路的存在使它的流明效率比测试单个LED的流明效率要下降。电路损耗越大，流明效率越低，因此，寻找一种高效率的LED驱动电路就显得极为重要。
2、为什么一只蓝光LED在涂上特殊的荧光粉构成的白光LED后，其辐射光通量会比蓝光高出几倍甚至十几倍?
从前面我们已经知道白光LED是用什么方法制造出来的，其中一种方法是在发蓝光的LED芯片上涂上一层YAG荧光粉，部分蓝光光子激发YAG荧光粉，形成光?光转换，荧光粉被激发产生黄光光子，蓝色光与黄色光混合变成白色光，成为白光LED。这种通过光?光转换后不同波长的光的混合，会使它的波谱变宽，白光LED一般具有比LED蓝光波谱宽得多的波谱。
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各种波长成分视觉函数的积分平均值，此值可以通过计算得到约为296lm，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41增大了7.2倍。
3、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PN 结。实验指出，当电流流过LED器件时，PN结的温度将上升，严格意义上说，就把PN结区的温度定义为LED的结温。 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温。
窗口层衬底或结区的材料以及导电的银胶等均存在一定的电阻值，这些电阻值相互垒加，构成LED的串联电阻。当电流流过PN结时，同时也会流过这些电阻，从而也会产生焦尔热，引起芯片温度或结温升高;由于LED芯片材料于周围介相比，具有大得多的折射系数，致使芯片内部产生的大部分光无法顺利地溢出界面，而在芯片与介质界面产生全反射，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、为什么LED PN结上温度升高会引起它的光电参数退化?
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，从而使复合栽流子转换成光子的数量和效能发生变化。当PN结的温度(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的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小的半导体电阻率变化的影响更为严重，导致内量子效率下降，温度升高又导致电阻率下降，使同样IF下，VF降低。如果不用恒流源驱动LED，则VF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，最终温升超过最大结温，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?空穴复合时从高能级向低能级跃迁时发射出光子的过程发生退化。这是由于PN结上温度升高时，半导体晶格的振幅增大，使振动的能量也发生增加，当它超过一定值时，电子?空穴从激发态跃迁到基态时回与晶格原子(或离子)交换能量，于是成为无光子辐射的跃迁，LED的光学性能退化。
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级裂变，能级分裂受PN结温度影响，这就意味着由于温度影响晶格振动，使其晶格场的对称性发生变化，从而引起能级分裂，导致电子跃迁时产生的光谱发生变化，这就是LED发光波长随PN 结温升而变化的原因。
综合上述，LEN 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，严重时导致LED失效，所以降低PN结温升，是应用LED的重要关键所在。
5、为什么说提高光效可降低结温?
通常将单位输入电功率所产生的光能称之为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两种形式释放出来，光效越高放出的热量越少，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理。
6、如何实现LED的调光、调色?
由于LED的发光强度IV(或光辐射通量)与它的工作电流IF在一定电流范围内呈县性关系，即随着电流IF增大，IV也随之增大，因此，改变LED的IF，就可以改变它的发光强度，实现调光。
由色度学原理可以知道，如果将红、绿、蓝三原色作混合，在适当的三原色亮度比的组合下，理论上可以获得无数种色彩，这就可以用三种发光波长的LED，只要具有例如：470nm(蓝色)、525 nm(绿色)和620 nm(红色)的三种波长的LED通过点亮和IF控制，就可以实现色彩的调控，即调色。
7、什么是静电破坏?哪些类型的LED容易受静电破坏导致失效?
静电实际是由电荷累积构成。人们在日常生活中，特别是在干燥天气环境中，当用手去触摸门窗类物品时会感觉“触电”，这就是门窗类物品静电积累到一定程度时对人体的“放电”。对于羊毛织品、尼龙化纤物品，静电积累的电压可高达一万多伏特，电压十分高，但静电功率不大，不会威胁生命，然而对于某些电子器件却可以致命，造成器件失效。
LED中用GN基构成的器件，由于是宽禁带半导体材料，它的电阻率较高，对于InGaN/AlGaN/GaN的双异质结蓝色光LED，其InGaN的有源层的厚度一般只有几十纳米，再由于这种LED的两个正、负电极在芯片同一面上，之间距离很小，若两端的静电电荷累积到一定值时，这一静电电压会将PN击穿，使其漏电增大，严重时PN结击穿短路，LED失效。 正因为存在静电威胁，对于上述结构的LED芯片和器件在加工过程中对加工厂地、机器、工具、仪器，包括员工服装均要采取防静电措施，确保不损伤LED。另外，在芯片和器件的包装上也要采用防静电材料。
