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1、1. GaP 绿色 LED 的发光机理是什么，当氮掺杂浓度增加时，光谱有什么变化，为什么？GaP 红色 LED 的发光机理是什么，发光峰值波长是多少？答：GaP 绿色 LED 的发光机理是在 GaP 间接跃迁型半导体中掺入等电子陷阱杂质 N，代替 P 原子的 N 原子可以俘获电子，又靠该电子的电荷俘获空穴，形成束缚激子，激子复合发光。当氮掺杂浓度增加时，总光通量增加，主波长向长波移动，这是因为此时有大量的氮对形成新的等电子陷阱，氮对束缚激子发光峰增加，且向长波移动。GaP 红色 LED 的发光机理是在 GaP 晶体中掺入 ZnO 对等电子陷阱，其发光峰值波长为 700nm 的红光。2. 液相外
2、延生长的原理是什么？一般分为哪两种方法，这两种方法的区别在哪里？ 答：液相外延生长过程的基础是在液体溶剂中溶质的溶解度随温度降低而减少，而且冷却与单晶相接触的初始饱和溶液时能够引起外延沉积，在衬底上生长一个薄的外延层。液相外延生长一般分为降温法和温度梯度法两种。降温法的瞬态生长中，溶液与衬底组成的体系在均处于同一温度，并一同降温（在衬底与溶液接触时的时间和温度上，以及接触后是继续降温还是保持温度上，不同的技术有不同的处理） 。而温度梯度法则是当体系达到稳定状态后，整个体系的温度再不改变，而是在溶液表面和溶液衬底界面间建立稳定的温度梯度和浓度梯度。3. 为何 AlGaInP 材料不能使用通常的气
3、相外延和液相外延技术来制造 ？ 答：在尝试用液相外延生长 AlGaInP 时，由于 AlP 和 InP 的热力学稳定性的不同，液相外延的组分控制很困难。而当使用氢化物或氯化物气相外延时，会形成稳定的 AlCl 化合物，会在气相外延时阻碍含 Al 磷化物的成功生长。故 AlGaInP 材料不能用通常的气相外延和液相外延技术来制造。4. 对三基色体系的白光 LED，列出基色光源的三个最佳峰值波长。对荧光转换的白光 LED 和多芯片的白光 LED，这三基色用什么方法来实现？ 答：三基色体系的白光 LED，基色光源的三个最佳峰值波长分别为450nm、540nm 和 610nm。对荧光转换的白光 LED
4、，是用部分被吸收的AlInGaN 芯片的蓝光和适当的绿光和橙红光两种荧光粉来实现。对多芯片白光 LED，是用峰值波长 600nm 附近的 AlGaInP 基 LED，以及峰值波长 450nm 和 540nm 的 AlInGaN LED 组成。5. 简要说明 LED 封装技术发展三个阶段的时间范围、典型 LED 及其驱动电流、器件应用领域。答：LED 封装技术发展的 3 个阶段分别为： （1）19621989 年期间，典型的 LED 为 3 和 5 的 LED，驱动电流一般小于等于 20mA，主要用做信号指示和显示。（2）19901999 年，发展了大光通量 LED 食人鱼和 Snap，驱动电流
5、在50150mA，主要用于大型信号指示，如汽车信号灯、景观照明。（3）2000 年至今，研发和生产了功率型 LED，电流350mA，开始用于照明，并开始了更大光通量输出的组件的研制和生产。6. 画出透明衬底的 AlGaInP LED 的结构示意图，简要说明其芯片制造流程。答：结构示意图如下图所示。此 LED 结构用的是 MOCVD 生长在 GaAs 上的双异质结(AlxGa1-x)0.5In0.5P，并在结构上方 VPE 生长一个小于 50m厚的 GaP 窗层。在外延生长后，用通常的化学腐蚀技术移除 GaAs 吸收衬底，使双异质结结构的 N 型层暴露，再通过升高温度和加压，将晶片黏结到 200
6、250m厚的 N 型 GaP 衬底上。1. 画出典型的具有 GaP 窗层和吸收衬底的双异质结 AlGaInP LED 的结构示意图，简述为什么需要使用电流扩展窗层。答：结构示意图如下图所示。为了使 LED 芯片获得高效的发光，电流扩展是主要关键之一，如上图的结构，器件的上方覆盖了圆形的金属顶，电流从芯片的顶部接触通过 P 型层流下到达结区，在结区发光。但是假如 P 型层的电阻太高，电流将扩展很少，而仅仅限在金属之下，光仅仅发生在电极之下，而且被芯片内部吸收。有效的最好性能的 AlGaInP LED 是在通常的双异质结顶部再生长一个厚的 P 型窗层，而不用 AlGaInP 材料。这个电流扩展窗层
7、与 AlGaInP 相比，具有高的薄层电导率，而且对发射光是透明的，可以达到很好的电流扩展效果。4. LED 作为城市景观照明中的首选光源的优点：色彩丰富纯度高、节能响应时间短，瞬时达到全光输出，可深度调光体积小、方向性强直流低压驱动，简化系统设计，降低电路成本寿命长，工作安全可靠，维护费用大大降低。景观常用 LED 灯具有护栏灯、树灯5. LED 的电学性能特点： LED 是单向导电器件。LED 是个具有 PN 结结构的半导体器件，具有势垒电势，所以就有导通阈值电压。LED 的电流电压特性是非线性的。LED 的正向压降与 PN 结结温的温度系数为负。流过 LED 的电流和 LED 的光通量的
8、比值也是非线性的。6. 电源驱动方案：（1）低电压驱动。是指用低于 LED 正向导通压降的电压驱动 LED，如一节普通干电池、镍镉电池供电的低功耗照明器件，LED 手电、头灯、应急灯、路障灯、节能台灯等，采用电荷泵式升压变换器（2）过渡电压驱动。是指给 LED 供电的电源电压值在 LED 正向压降附近变动。如一节锂电池或两节串联的铅酸蓄电池，电池充满时在 4V以上，快用完时在 3V 以下，应用有矿灯等，是反极性电荷泵式变换器（3）高压驱动。是指给 LED 供电的电压值高于 LED 的正向压降，如6V.12V.24V 蓄电池，应用有太阳能草坪灯、太阳能庭院灯等，变换器电路是串联开关降压电路。 （
9、4）市电驱动。是对半导体照明应用最具有价值的供电方式，中小功率 LED 采用隔离式单端反激变换器，大功率用桥式变换电路。7. 可靠性试验指：产品在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能的能力。产品在设计、应用过程中，不断经受自身及外界气候环境及机械环境的影响，而仍需要能够正常工作，这就需要以试验设备对其进行验证，按试验目的可分为筛选试验、例行试验、鉴定验收试验；按照试验项目可分为环境试验和寿命试验。8. （1）平均寿命：指一批电子器件产品寿命的平均值（2）可靠寿命：指一批电子器件产品的可靠度下降到时，所经历的工作时间（3）中位寿命：指产品的可靠度降为 50%时的寿命（4）特征寿命：指产品的
10、可靠度降为 1/e 时的寿命（ 5）LED 的寿命：通常用“半衰期” 即器件的光输出下降到起始值 50%时的时间作为 LED 的寿命。用 B50 和 L70 来表示功率 LED 的寿命。L70（B50）表示功率 LED 比起初始值来，平均流明值下降到维持 70%（50%）的时间。9. 画出器件失效率随时间变化的曲线，说明曲线的各个阶段及其失效原因。答：曲线如图分为三个阶段： 第一个阶段称为早期失效或老化阶段，失效率较高，随工作时间的延长而迅速下降。造成早期失效的原因大多属生产型缺陷，由产品本身存在的缺陷所致。第二个阶段为有效寿命阶段，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
11、往带有偶然性。第三个阶段称耗损失效阶段，失效率明显上升，大部分器件相继出现失效，耗损失效都由于老化、磨损和疲劳等原因使器件性能恶化所致。10. 伏安特性指流过 PN 结的电流随电压变化的特性，应将正、反向均包括在内。 （1）反向击穿电压 Vb：表示器件反向耐压高低的参数，通常是指一定漏电流下器件两端的反向电压值（2）反向电流 Ir：给定反向电压下流过器件的反向电流值（3）正向电压 Vf：指定正向电流下器件两端的正向电压值。作用：标志着结的体电阻及欧姆接触串联电阻的高低，可在一定程度上反应电极制作的好坏12. 热管是依靠自身内部工质液相和气体二相变化来实现传热的导热元件，它是由高纯度的无氧铜管及
12、铜丝网或铜粉烧结物组成，内充液体为工作介质。当受热端将工作液相蒸发成气相，气流经过中空管道流到冷却端，冷却后将工作流体凝结成液相，冷凝液借助于铜丝网或铜粉烧结物的毛细组织吸回受热端，完成吸热-放热循环，可在一定温差下将热量传导出。具有重量轻、结构简单、热传输量大、耐用寿命长、导热能力强等优点。回路热管比单管热管效率更高且不受位置影响。13. 小功率 LED 封装流程：背胶- 固晶 -烧结- 焊线-检验-灌胶-固化-脱模-半切-测试- 全切-后固化 -分选-包装。功率 LED 封装流程：芯片安放-锡胶固晶-金线键合- 荧光粉涂敷- 前固化-充硅胶加透镜-后固化- 检测-包装。14. 热阻：就是结
13、构对热功率传输所产生的阻力，一般半导体发光效率均随结温升高而降低。通常将两个节点间单位热功率传输所产生的温度差定义为该两个节点间的热阻。15. PN 结发光器件的外量子效率 电子注入效率 ，转化为光子的内量子效率 ，取光效率 。提高 PN 结的注入效率、内量子效率和取光效率，就可以提高器件的外量子效率。16. 电学设计：1. 提高 PN 结注入效率主要是选择适当的载流子浓度。在 P 区发光为主的情况下，注入效率定义为通过 PN 结的电子电流和总电流之比 2. 增大自由空穴浓度可降低以提高内量子效率 3. 为提高取光效率（1）设计上电极的形状和大小时，要注意在保证电流分布均匀的情况下，尽量减少接
14、触面积，设法使电极避开发光最强的区域（2）对于下电极，若是高吸收衬底，则采用全面积接触；若是透明衬底，为提高底部反射率，采用 SiO2 隔离的小圆点矩阵接触的复合接触电极，反射率可达 95% 4. 衬底的选择（1）主要考虑其完整性好，缺陷少；其次为降低串联电阻，一般均选用高掺杂衬底（2）衬底对于发射光的吸收情况也很重要（3）异质结构的衬底和外延层的晶格常数和热膨胀系数的匹配也是重要条件，否则将增加位错密度 5. 外延层载流子浓度的选择（1）浓度过低：注入的少数载流子与多子复合的概率过小，增加器件的串联电阻，增加压降，导致器件过热，增加温升，降低发光效率。 （2）浓度过高：俄歇复合增加，增加晶体
15、不完整性出现缺陷，成为非辐射复合中心，也会降低发光效率。 （3）还要考虑击穿电压不能过低等因素。6. 等电子陷阱发光中心浓度的选择（1）绿色 GaP 中的 N 浓度提高可提高器件的发光效率，但量太多会使晶体质量下降，发光效率反而下降，以 为宜（2）GaP 中 N 浓度达 时因形成氮对 N-N，发光波长由绿色变为黄色（3）红色 GaP 中的 Zn-O对，浓度以高为宜，但实际形成的有效复合中心浓度不高于 。17. 二基色体系白光：对于 459nm 蓝紫光、 572nm 黄绿光，白光的光视效能最大。对荧光转换的白光 LED 是用发射蓝光的 AlInGaN 芯片和发射在黄色区的荧光粉。荧光粉选择为铈掺
16、杂的钇铝石榴石 YAG:Ce3+，温度和化学稳定性高，腐蚀性低，具有无缺陷结构，量子效率接近100。多芯片白光采用蓝、黄二色的二芯片 InGaN/AlGaInP 白色发光二极管，峰值分别为 470nm 和 580nm，具有较高的光视效能，但显色性差。选择荧光粉的标准（1）对 LED 发射波长有强烈的吸收（2）高的激发量子效率（3）满意的稳定性（4）适当的形貌（5）适合的粒度。25. 磷砷化镓 GaAs1-xPx 是闪锌矿结构，由直接跃迁型的砷化镓与间接跃迁型的磷化镓组成的固溶体。直接跃迁型：室温下 x0.45 时，发光效率低。外延掺入氮形成等电子陷阱后成为发光效率相当高的橙红，橙色和黄色发光材料。18. 发光的 PN 结通常是将锌热扩散到 N 型外延材料中形成的。简要说明借助光刻将锌平面扩散到外延层中的工艺过程。答：如下图所示。先在外延层上淀积氧化物或氮化物薄膜，然后再涂上光刻胶，进行光刻显影，从而暴露选择扩散的区域。后烘之后将暴露区的氧化物或氮化物腐蚀掉，然后把光刻胶去除，在暴露区把锌扩散进晶片
