氮化镓LED (GaN LED)，圆形圆芯LED、激光LED灯是什么？强光手电筒如何聚光远射？（一）

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首先请谅解我的一点小小偏执。不过，依然的，你杠就是你对！
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一、LED的发光原理

LED的发光原理基于半导体的电子跃迁效应。当电子通过半导体材料的PN结时，会从高能级跃迁到低能级，同时释放出能量，形成光子，从而发光。这个跃迁过程需要满足能量守恒和动量守恒的条件，只有一小部分能量会被转化为光子，大部分能量会以热量的形式散失。因此发光的同时必然会产生热量。人们对于这个过程中发光的利用称之为光效。

小结：在两层半导体之间，电子和与空穴碰撞复合并于发光层产生了蓝色的光子。PN结发蓝光。

二、什么是光效

光效指的是LED将电能转化为光能的效率。它通常用来描述LED发出的光功率与输入电功率之间的比例关系。白光LED而言，将光通量(lm)除以输入功率(W)即为LED的光效，单位lm/W。发光效率值越高，表明LED将电能转化为光能的能力越强。例如：如果LED的输入电功率为10W，发出了1300lm白光，那么它的光效就是130lm/W。公式为：

η=φ/E=φ/(φ+P)

其中η为光效，φ为光源辐射的光能量，E为光源的功率，P为光源损耗的能量，主要是发热量。能量守恒，从公式中的P可以看出，发光必然会发热，只是多少而已，越亮就越热，光效越低就越热。

光效是衡量LED性能的一个重要指标，它不仅直接关系到LED的亮度和能耗，还关系到使用寿命(光衰)和稳定性。一个高光效的LED可以在相同的输入功率下产生更高的光输出，从而实现更节能、更环保的照明。把装到手电筒里面，就是：

在同等电功率下，更高的光通量(你就理解为亮度吧)；

在同等的亮度下，更长的续航时间；

在同等的亮度下，更低的发热量；

好比我们搬砖，一车砖1000块，我不吃不喝要搬一天(假设10小时)，而你只需要半天就搞定，剩下的半天你乐意可以再搬一车，相同的时间(10小时)你的产出比我高100%。我的效率就是100块/小时，而你的效率高达200块/小时，还有个前提我们工资一样(功耗一样)，显而易见老板娘更喜欢你。

此外，高光效的LED器件也能够降低器件温度和热损失，从而延长器件的使用寿命和可靠性。

那么如何提高手电筒的光效？请参看另外一篇《LED强光手电筒，为什么你的超亮聚光远射？SFT-40值得买吗？》中的，第四节“多核心的意义”。

小结：光效是电能转化为光能的效率。

延展阅读：什么是光衰？
LED的光衰是指经过一段时间的点亮之后，其光强比初始光强会降低，且不能恢复，即降低的部分称为LED的光衰。在业界有一套标准即IES－80－08。在过去荧光灯统治的年代，女邻居时常叫我去帮忙换灯泡，自从LED取代了荧光灯，我变得百般无聊，天一黑就蹲在门口。

三、氮化镓GaN LED

3.1 氮化镓（GaN、Gallium nitride）是氮和镓的化合物，属于第三代半导体材料。氮化镓与铟（InGaN）或铝（AlGaN）的混合，其带隙取决于铟或铝与氮化镓的比例，可以制造出颜色从红色到紫外线的发光二极管（LED）。

下图为形成氮化镓(GaN)的反应过程

3.2 衬底是支撑外延薄膜的基底。氮化镓一般生长在异质衬底上，蓝宝石(Al2O3)、硅(Si)、碳化硅(SiC)，同质衬底氮化镓(GaN)自支撑制造困难价格昂贵、且技术发展缓慢，可量产的尺寸较小。因此主要生长在蓝宝石(Al2O3)衬底上面。

下图为氮化镓外延生长在蓝宝石(Al2O3)上面时的形状。逐渐将GaN化合物半导体连续堆起来生长，各个层承接下层的结晶性来生长。

3.3 LED芯片的结构

图片如此直观，就不赘述了吧。

小结：在蓝宝石、硅、碳化硅上面生长氮化镓外延，我叫它氮化镓LED。

四、LED芯片的封装

正装、倒装、垂直。

p-GaN在上面，n-GaN和蓝宝石衬底压在下面(上面三张图都是)，通过金线(电极)给它提供电能，这是正装。就像汉堡包放在盘子里，一层面包(可理解为p-GaN)，一层肉(发光层(MQWs(多量子阱))，再一层面包(n-GaN)，盘子(蓝宝石衬底)。正装结构由于p、n电极在LED同一面，不够均匀容易出现电流拥挤现象，而且热阻较高，限制了把LED做大做强。

把盘子翻过来底朝天，蓝宝石放在最上面就是倒装。还有一类倒装芯片为了提升电流密度，把蓝宝石也剥离了(把盘子扔了)。由于倒装芯片的电极都在底部，通常倒装看不到金线。

正装的蓝宝石衬底LED

垂直结构相当于把汉堡包用针打孔了，把孔作为电极。垂直结构的LED芯片蓝宝石衬底被剥离了(把盘子扔掉了)，底部粘合高热导率的金属锗(Ge)、铜(Cu)等衬底。还有硅衬底的垂直芯片，硅衬底氮化镓基国内有家比较牛的企业“晶能光电”。

硅衬底氮化镓基LED 剖面图

垂直结构LED芯片

以垂直结构配置电极的垂直型（Vertical）LED芯片相较于以水平结构(正装)配置电极的水平型（Lateral）LED芯片，在高电流方面表现出极高的优点。在光效率、高功率、热特性方面具有诸多优点。

垂直结构的正负电极分别位于LED芯片上下两面(顶面和底面)，使得电流几乎全部垂直流过LED外延层，横向流动的电流极少，分布更均匀，可避免正装结构的电流拥挤问题，避免了局部高温，目前动辄18~40W的高功率LED都是垂直结构的芯片。当您仔细观察LED表面，会看到均布的小黑点点，那是垂直LED芯片的典型特征。

垂直结构的优势在于扩大了发光层多量子阱(MQWs)的有效面积，从而避免了从P结到N结的电流瓶颈效应。更为重要的是，垂直结构对于基底的热量传导和散热有着巨大优势，这一点对大功率LED芯片尤为关键。

从外观上怎么区分它们？正装可以看到金线，倒装看不到金线，电极都在底下遮住了。垂直可以看到金线，芯片中间都是小黑点点。

小结：目前应用于手电筒、头灯、自行车灯、露营灯等户外移动照明的大功率LED，几乎都是垂直芯片。高显色LED除外、廉价小功率除外。

至此，我们已经了解LED芯片的发光原理及封装工艺，它可以发出蓝色光，那么如何将它变成白光呢？

五、白光LED

如下图LED获得白光的方法有3种，第一种是用蓝光照射黄色荧光粉。第二种是紫外光照射蓝、绿、红荧光粉。第三种是蓝、绿、红三种LED的三基色混合。这里我们只聊第一种。

通过在LED芯片上覆盖荧光物质，可以产生其他颜色的光。例如我们要说的白光LED，由LED芯片发出的蓝光峰值波长位于450nm左右，它激发黄色荧光粉混合成白光。从LED芯片发出的蓝光一部分打在荧光涂层上并与之作用产生黄色光子，一部分蓝光直接发射出去。蓝色光子与黄色光子共同作用（混合）就产生了白光。

具体来说，黄色是蓝色的补色，蓝色和黄色的混合看起来是白色。由LED芯片发出的蓝光激发萤光剂转换成黄光为主的较宽光谱（光谱中心约为580nm），由于黄光能刺激人眼中的红光和绿光受体，加上原有剩余的蓝光刺激人眼中的蓝光受体，看起来就是白色光了。为了改善显色特性，还可以加入适量的红色和绿色荧光粉。

在路上i5-Gen2 光谱图

上图为“在路上i5-Gen2”变焦调焦手电光谱图，可以看出，由LED芯片发出的蓝光峰值位于波长447nm-457nm，矮一点的是由荧光粉吸收蓝光在以黄色区域为中心的光谱中重新发射。

Duv是指距离标准黑体轨迹线的距离，越接近0 越接近标准黑体轨迹线，也越接近标准色温，正值偏绿，负值偏红紫色(粉色)。个人推测与两个因素有关(当我胡说)，一是蓝光波长在驱动功率变化时，在一定范围内有轻微的波动，二是和荧光粉品质及荧光粉的调配有关，追求更高的光效，更高的光通量免不了偏绿一点点。

小结：白光LED 由LED芯片（发出波长为440～470nm之间的蓝光）和荧光粉（黄粉、绿粉或/和红粉）涂层组成。荧光粉用以吸收部分LED芯片所发出的蓝光，而激发出的光再和其余穿过荧光粉的蓝光混合，就被人眼识别为白光。

延展阅读：
黄色荧光粉的发射光谱在红光区缺乏，因此采用黄粉的白光LED通常是蓝白色调、相对色温的覆盖范围为4000～6500K。如果需要获得低色温的暖白光(2700～4000K)，就需要添加红色荧光粉，然而，因红色荧光粉发出光很大部分波长都超过700nm，超过了人眼感知范围，所以相对于冷白LED来说，暖白的光效偏低一点。这就是为什么通常暖白光的亮度(光通量)，要比冷白光低的原因。通过使用更红的荧光粉材料，可使显色指数(CRI)超过90，但这样的代价是光效下降，光通量下降。

关于显色指数的介绍，请参考《手电筒LED排行榜，哪款手电筒值得买推荐？L2、T6、P50、P70、P90是什么？CREE等级？》中，第8节。

六、实物分析，窥斑见豹

不知道您有没有注意到，白光LED的外观看起来中间位置都是一个小黄点，这是因为上面提到的“黄色荧光粉”覆盖着LED芯片，您看到的是黄色荧光粉层，在它旁边伸出几条腿，那是它的金线用于给LED芯片供电。

今天要介绍的圆形或叫圆芯LED的制造工艺复杂，同款LED晶圆不同LED封测厂经过封装后虽然外观有些许变化，但大体相同。常见有以下几种：

以上都是垂直结构的LED芯片。并不能单纯地比较哪种性能更好，只能说某些LED封测厂生产的LED更出色。辅料的品质参差不齐，比如YAG荧光粉、支架、银胶、金线、环氧树脂等等，并且封装工艺（如固晶、荧光粉调配、固化、焊线、点胶）也有着较大的差异。

为了LED产品的一致性，还会进行分光测试，这是品控重要的一环，如果只封装不分光测试，那就是疯了的厂。封测厂的这些差异影响LED的性能、寿命和价格。

就像做一道菜，使用相同的主材，但不同的辅材和不同的厨师会直接影响菜品的口味。

小结：白光LED之所以看起来是个小黄点，因为我们看到的是黄色荧光粉层。各封测厂封装工艺虽然不同，但外观大致一样。

到这里您只看了50%。上面大部分介绍的是理论知识。

篇（二），将带您实物剖析、实物光电测试与实景展示。

篇（二），引用声明放在末尾。

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