一种多功能GaN基蓝白光高亮LED外延片的制作方法
【专利说明】—种多功能GaN基蓝白光高亮LED外延片
[0001]本发明一种多功能GaN基蓝白光高亮LED外延片属于电子领域。
[0002]LED的价格越来越平民化，因LED省电的特性，也许不久的将来，人们都会的把白炽灯换成LED灯。我国部分城市公路、学校、厂区等场所已换装完LED路灯、节能灯等。
[0003]种类发展
最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。当时所用的材料是GaAsP，发红光(λ p=650nm),在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明/瓦。
[0004]70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光(λρ=555ηπι)，黄光(λρ=590ηπι)和橙光(λ p=610nm),光效也提高到I流明/瓦。
[0005]到了 80年代初，出现了 GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。
[0006]90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在红、橙区(λρ=615ηπι)的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域(λ p=530nm)的光效可以达到50流明/瓦。
[0007]单色光LED的应用发光二极管
最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%,只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了 18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。
[0008]汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于LED响应速度快(纳秒级)，可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。
[0009]另外，LED灯在室外红、绿、蓝全彩显示屏，匙扣式微型电筒等领域都得到了应用。
[0010]参数介绍LED的光学参数中重要的几个方面就是:光通量、发光效率、发光强度、光强分布、波长。
[0011]发光效率和光通量
发光效率就是光通量与电功率之比。发光效率表征了光源的节能特性，这是衡量现代光源性能的一个重要指标。
[0012]发光强度和光强分布
LED发光强度是表征它在某个方向上的发光强弱，由于LED在不同的空间角度光强相差很多，随之而来我们研究了 LED的光强分布特性。这个参数实际意义很大，直接影响到LED显示装置的最小观察角度。比如体育场馆的LED大型彩色显示屏，如果选用的LED单管分布范围很窄，那么面对显示屏处于较大角度的观众将看到失真的文段像。而且交通标志灯也要求较大范围的人能识别。
[0013]波长
对于LED的光谱特性我们主要看它的单色性是否优良，而且要注意到红、黄、蓝、绿、白色LED等主要的颜色是否纯正。因为在许多场合下，比如交通信号灯对颜色就要求比较严格，不过据观察我国的一些LED信号灯中绿色发蓝，红色的为深红，从这个现象来看我们对LED的光谱特性进行专门研究是非常必要而且很有意义的。
[0014]检测普通发光二极管的检测
(I)用万用表检测。利用具有XlOkQ挡的指针式万用表可以大致判断发光二极管的好坏。正常时，二极管正向电阻阻值为几十至200kQ，反向电阻的值为如果正向电阻值为O或为c?，反向电阻值很小或为0，则易损坏。这种检测方法，不能实质地看到发光管的发光情况，因为XlOkQ挡不能向LED提供较大正向电流。
[0015]如果有两块指针万用表(最好同型号)可以较好地检查发光二极管的发光情况。用一根导线将其中一块万用表的“ + ”接线柱与另一块表的接线柱连接。余下的笔接被测发光管的正极(P区)，余下的“+”笔接被测发光管的负极(N区)。两块万用表均置XlOkQ挡。正常情况下，接通后就能正常发光。若亮度很低，甚至不发光，可将两块万用表均拨至ΧΙπιΩ若，若仍很暗，甚至不发光，则说明该发光二极管性能不良或损坏。应注意，不能一开始测量就将两块万用表置于X ΙπιΩ，以免电流过大，损坏发光二极管。
[0016](2)外接电源测量。用3V稳压源或两节串联的干电池及万用表(指针式或数字式皆可)可以较准确测量发光二极管的光、电特性。为此可按文段10所示连接电路即可。如果测得VF在1.4?3V之间，且发光亮度正常，可以说明发光正常。如果测得VF=O或VF?3V，且不发光，说明发光管已坏。
[0017]红外发光二极管的检测
由于红外发光二极管，它发射I?3μπι的红外光，眼看不到。通常单只红外发光二极管发射功率只有数mW，不同型号的红外LED发光强度角分布也不相同。红外LED的正向压降一般为1.3?2.5V。正由于其发射的红外光人眼看不见，所以利用上述可见光LED的检测法只能判定其PN结正、反向电学特性是否正常，而无法判定其发光情况正常否。为此，最好准备一只光敏器件(如2CR、2DR型硅光电池)作接收器。用万用表测光电池两端电压的变化情况。来判断红外LED加上适当正向电流后是否发射红外光。
[0018]测量原理光强度
把光强标准灯，LED和配有V ( λ )滤光片的硅光电二极管安装和调试在光具座上，特别是严格地调灯丝位置，LED发光部位及接受面位置。
[0019]先用光强标准灯校准硅光电二极管，C=E/S 式中 Rs=Is/Ds
Ds是标准灯与接受器之间的距离，I s是标准灯的光强度，R s是标准灯的响应。
[0020]Et=C R t式中E t是被测LED的照度，R t是被测LED的响应，则LED的光强度It 为:I t=E t Dt
式中Dt是LED与接受面之距离。
[0021]对于LED来讲，其发光面是圆盖形状的，光分布是很特殊的，所以在不同的测量距离下，光强值会变化，偏离距离平方反比定律，即使固定了测量距离，但是由于接受器接受面积不同，其光强值也会变化。因此，为了提高测量精度，应该把测量距离和接受面积大小相对地给予固定为好。例如，测量距离按照GIE推荐采用316mm，接受器面积固定为1X 10mm。在同一测量距离下，LED转角不同，其光强也相应地有变化，因此为了获得最佳值，最好读出最大读数R t为佳。
[0022]光通量
光通量测量在变角光度计的转台上进行，转台上安转了 LED，该转台在其水平面上绕着垂直轴旋转±90度，LED在垂直面上绕着测光轴旋转360度。在水平面上和垂直面上的转角的控制是通过步进马达来实现的。转台在导轨上随意移动，当测量标准灯时，转台应离开导轨。
[0023]测量时大转盘在水平面上绕垂直轴旋转，步进角度为0.9°，正方向90°，反方向90°。LED自身也在旋转，在每一个水平角度下，垂直平面上每隔18°进行一次信号采集，转完360°之后共采集到20个数据，按下式计算总光通量。
[0024]如果大盘旋转0°?90°时，小盘转0°?360°即可。但是大盘旋转O°?90°时，有可能LED安装不均匀(不对称)而引起误差，因此最好的解决办法是大盘转一 90°?0°?90°，小盘仍然转0°?360°，把大盘0°?90°和一 90°?0°两个范围内绝对值相等的角度上的照度值取平均值来作为0° 发光二极管
?90°内的值。
[0025]LED总光通量测量的第二种方法是积分求法。此方法的优点是简单易行，但测量精度不高。LED的总光通量计算方法如下，先计算离积分球入射窗口(入射窗口面积A)1距离上标准灯(光强值I s)进入积分球内的光通量ΦS，Φ8=Ι s A /I 2
读出接收器上的光电流信号i s，然后把LED置于窗口上，读出相应的接收器光电流信号it，则LED的总光通量Φ为:
Φ?=?ν?8Φ8Κ式中K为色修正系数。
[0026]测量方法
发光二极管的光谱功率分布测量，目的是掌握LED的光谱特性和色度，再者是为了对已测得的LED的光度量值进行修正。
[0027]在测量LED光谱功率分布时，应注意以下几点，一个是在与标准光谱辐照度进行比较时由于标准灯的光谱辐强度比LED强得多，为了避免这个问题，最好在标准灯前加一个中性滤光片，使它的光谱辐强度接近于LED。
[0028]LED的光谱宽度很窄，为了准确地描绘LED的光谱分布轮廓，最好采用窄带波长宽度的单色仪进行测量，波长间隔为Inm为好。
[0029]按下式计算LED的光谱功率分布E t。
[0030]Et λ =Es λ *It λ /Is λ
式中i是标准灯在波长i处的响应；E是标准灯的光谱功率分布；i是LED在波长λ处的响应。
[0031]LED的色坐标计算公式为:
X= / Et λ.χ λ d λ
y= / Et λ ^yd λζ= / Et λ ^yd λ色坐标为:x=X/(X+Y+Z)y=Y/(X+Y+Z)
也可计算LED的主波长和色纯度。
[0032]发光二极管也与普通二极管一样由PN结构成，也具有单向导电性。它广泛应用于各种电子电路、家电、仪表等设备中、作电源指示或电平指示。
[0033]发光二极管的主要特性表
* Cd (坎德拉)发光强度的单位
行业趋势据《2013-2017年中国LED照明产业市场前瞻与投资战略规划分析报告》[I]分析认为，LED照明市场一直被认为是LED最重要、最具发展前景的应用。总体来看，宏观环境对于LED照明应用的发展非常有利，主要表现为:1)节能减排成为全球关注的议题并得到积极推进；2)传统光源技术成长缓慢，面临发展瓶颈；3)LED照明技术进步与成本不断降低，长期市场障碍已不大。
[0034]数据显示，2009年，全球LED路灯装置数量约250万盏，渗透率达到1%，2010年，全球LED路灯可达到450万盏，渗透率达到2%以上。报告预测全球LED路灯市场在2010年后将呈高速增长，2009至2013年复合增长率高达97.75%，至2013年，全球LED路灯市场规模达到21.59亿美元。
[0035]前瞻网LED照明行业研究小组分析认为，受“十城万盏”政策的推动，我国LED路灯市场将保持持续增长，至2013年我国LED路灯市场规模预计达到86.63亿元，占到全球市场规模的五成左右，成为全球最重要的LED路灯市场之一。
[0036]随着行业的继续发展，技术的飞跃突破，应用的大力推广，LED的光效也在不断提高，价格不断走低。新的组合式管芯的出现，也让单个LED管(模块)的功率不断提高。通过同业的不断努力研发，新型光学设计的突破，新灯种的开发，产品单一的局面也有望在进一步扭转。控制软件的改进，也使得LED照明使用更加便利。这些逐步的改变，都体现出了LED发光二极管在照明应用的前景广阔。