白光LED的發(fā)光機(jī)理及制造難點(diǎn)研究

1、xx 學(xué) 院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目 白光led的發(fā)光機(jī)理及制造難點(diǎn)研究 電子信息工程 院（系） 電子信息工程 專業(yè) 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 起訖日期 2010.02-2010.06 設(shè)計(jì)地點(diǎn) 電子信息工程學(xué)院 目 錄目 錄1摘 要2abstract3第一章 簡(jiǎn)述白光led發(fā)展史4第二章 白光led的發(fā)光機(jī)理52.1白光led的技術(shù)概況52.2 led發(fā)光原理52.2.1 led發(fā)光機(jī)理52.2.2白光led發(fā)光原理62.3白光led的發(fā)光效率82.4襯底材料92.4.1 led的襯底材料的選擇92.5工藝112.6大功率白光led散熱技術(shù)112.7白光led技術(shù)研究12第三章 白光le

2、d綜述123.1白光led的特點(diǎn)123.2白光led的優(yōu)點(diǎn)133.3白光led的展望13總 結(jié)15致 謝16參考文獻(xiàn)17摘 要所謂白光是多種顏色是多種顏色混合而成的光，以人類眼睛所能見(jiàn)的白光形式至少需要兩種光混合，如二波長(zhǎng)光（藍(lán)色光+黃色光）或三波長(zhǎng)光（藍(lán)色光+綠色光+紅色光），目前已商品化的產(chǎn)品僅有二波長(zhǎng)藍(lán)光單芯片加上yag黃色熒光粉，在未來(lái)較被看好的是三波長(zhǎng)光，以無(wú)機(jī)紫外光芯片加r、g、b三顏色熒光粉。用上述兩種模式符合的白光都需要藍(lán)光，所以攝取藍(lán)光已成為制造白光led的關(guān)鍵技術(shù)，即當(dāng)前各大led制造公司追逐的“藍(lán)光技術(shù)”。此外有機(jī)單層三波長(zhǎng)型白光led也有成本低、制造容易的優(yōu)點(diǎn)。預(yù)計(jì)三波

3、長(zhǎng)白光在未來(lái)的應(yīng)用中取代熒光燈、緊湊型節(jié)能熒光燈及l(fā)cd背光源等市場(chǎng)，對(duì)白光led的市場(chǎng)成長(zhǎng)有很大幫助。本文對(duì)白光led的發(fā)光原理進(jìn)行了研究，包括對(duì)發(fā)光效率，材料，工藝，封裝，成本等。對(duì)于白光led的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行論述，包括如發(fā)光效率，使用壽命，顯色性，體積，使用方便，可靠性等。最后，對(duì)白光led的發(fā)展前景和未來(lái)的發(fā)展做了描述。關(guān)鍵字：白光led 材料 封裝abstractthe so-called multi-color white is a mixture of light colors to the human eye can see at least two kinds of white l

4、ight mixed forms, such as the two wavelengths of light (blue light + yellow light) or three wavelength light (blue light + green light + red light), the commercialization of products currently only two single-wavelength blue-chip with the yellow yag phosphor, more favored in the future is three wave

5、lengths of light, in order to increase inorganic uv chips r, g, b three color phosphors. using these two models need to meet the white light blue, so uptake of blu-ray has become the key manufacturing white led technology, which currently pursued by major led manufacturer, blu-ray technology. in add

6、ition, the organic layer three-wavelength type white light led has low cost and easy to manufacture advantages. expected three-wavelength white light applications in the future to replace fluorescent lamps, compact fluorescent lamps and lcd backlight and other markets, on the white led market growth

7、 of great help. in this paper, white led light-emitting principle of the study, including light-emitting efficiency, materials, process, package and cost. the white paper discusses the advantages of led, including such luminous efficiency, lifetime, color rendering, volume, ease of use and reliabili

8、ty. finally, the white leds development prospects and future development was described.key words ：white led materials package第一章 簡(jiǎn)述白光led發(fā)展史1998年白光led的開(kāi)發(fā)成功，使得led應(yīng)用從單純的標(biāo)識(shí)顯示功能向照明功能邁出了實(shí)質(zhì)性的一步。led光源與傳統(tǒng)光源相比較，具有如下優(yōu)點(diǎn):超長(zhǎng)壽命，可達(dá)幾萬(wàn)小時(shí)，傳統(tǒng)光源一般為幾千小時(shí);結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，沒(méi)有鎢絲、玻殼等容易損壞的部件，具有極高的抗震性能;響應(yīng)速度快;易實(shí)現(xiàn)調(diào)光和智能控制;耐開(kāi)關(guān)沖擊，適用于頻繁開(kāi)關(guān)場(chǎng)合;高效節(jié)能

9、，現(xiàn)有光效己超過(guò)白熾燈，理論光效可達(dá)200lm/ w;不含汞、鉛等有害物質(zhì)，沒(méi)有污染，綠色環(huán)保。與白熾燈相比，led在效率、節(jié)能、燈具設(shè)計(jì)等方面都有足夠的優(yōu)勢(shì)。就結(jié)構(gòu)特性而言，由于led體積小，可以為一般照明系統(tǒng)提供更大的設(shè)計(jì)自由度。從光度和色度性能考慮，目前單顆led的光通量仍有限，但是一般照明場(chǎng)合，可能要求不同色溫的白光，且對(duì)顯色性要求也不甚相同。led在不同發(fā)展階段的性能，在目前階段，應(yīng)充分發(fā)揮半導(dǎo)體照明的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)選擇合適的應(yīng)用領(lǐng)域，針對(duì)led的特殊結(jié)構(gòu)和光型，通過(guò)合理的光學(xué)設(shè)計(jì)，可使目前價(jià)格的半導(dǎo)體照明也能有用武之地。開(kāi)發(fā)相應(yīng)合理的光源系統(tǒng)。滿足不同場(chǎng)的照明需求，美國(guó)能源部曾預(yù)測(cè)，2

10、010年前后，美國(guó)將有55%的白熾燈和熒光燈被led替代，每年節(jié)電價(jià)值可達(dá)350億美元，可能形成一個(gè)500-1000億美元的大產(chǎn)業(yè)。2007年歐盟春季首腦會(huì)議已經(jīng)達(dá)成協(xié)議，兩年內(nèi)(2009年以前)歐洲各國(guó)將逐步用節(jié)能熒光燈取代能耗高的老式白熾燈泡，從2009年規(guī)定日期開(kāi)始，禁止生產(chǎn)白熾燈泡，以減少溫室氣體排放。我國(guó)政府對(duì)發(fā)展白光led高度重視?！熬盼濉焙汀笆濉本腥肟萍疾俊?63”，“973”計(jì)劃，投入大量經(jīng)費(fèi)資助。其中由北京大學(xué)、中科院物理所和北京有色院聯(lián)合承擔(dān)“十五”白光led“863”項(xiàng)目。2003年6月17日，國(guó)家科技部正式啟動(dòng)了“國(guó)家半導(dǎo)體照明工程”計(jì)劃，將半導(dǎo)體照明技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)

11、用提高到戰(zhàn)略高度。我國(guó)白光led發(fā)展主要受到藍(lán)光芯片設(shè)計(jì)制造能力的制約。在技術(shù)研發(fā)水平上，國(guó)內(nèi)的藍(lán)光芯片指標(biāo)已達(dá)到國(guó)外中檔產(chǎn)品水平，個(gè)別研發(fā)機(jī)構(gòu)的技術(shù)水平己達(dá)世界先進(jìn)水平。led封裝技術(shù)與國(guó)外差距較小，在國(guó)際市場(chǎng)上已占有相當(dāng)大的份額，有可能取得關(guān)鍵技術(shù)的突破，形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。另外，位于產(chǎn)業(yè)鏈下游的芯片封裝與照明應(yīng)用產(chǎn)業(yè)，既是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，又是勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，我國(guó)具有廉價(jià)勞動(dòng)力的優(yōu)勢(shì)，有能力承接國(guó)際半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)移。所用關(guān)鍵材料、高效熒光粉有很好基礎(chǔ)和條件。據(jù)此，不少業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，中國(guó)有可能成為世界上最大的led生產(chǎn)基地之一。我國(guó)臺(tái)灣ingan藍(lán)光芯片開(kāi)發(fā)廠商很多己崛起成為世界藍(lán)光芯片主要

12、供應(yīng)商，占世界總產(chǎn)量的四分之一;無(wú)論質(zhì)和量都在大陸之上，但質(zhì)量遜于日美。我國(guó)一些led產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)較好的省份，也針對(duì)半導(dǎo)體光源推出了自己的科技攻關(guān)項(xiàng)目。2005年3月，廣州led工業(yè)研發(fā)基地正式成立?；卦O(shè)立研發(fā)中心和生產(chǎn)中心，研發(fā)中心設(shè)在華師大石牌校區(qū)內(nèi)，面積3800平方米，生產(chǎn)中心設(shè)在坑口電子(數(shù)碼)基地，面積3500平方米。首期投資1.2億人民幣，其中香港健隆集團(tuán)公司投資9000萬(wàn)元，華南師范大學(xué)投資1000萬(wàn)元，廣州市科技局科技資金支持2000萬(wàn)元。此項(xiàng)目通過(guò)政府引導(dǎo)，企業(yè)為主，產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，為led產(chǎn)業(yè)發(fā)展建立了一套靈活高效的機(jī)制。led與熒光燈相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、平面化、重量輕

13、、方向性好、響應(yīng)快、無(wú)輻射、耐各種惡劣條件等優(yōu)點(diǎn)，并能消除熒光燈中的汞等有害物體所造成的環(huán)境污染問(wèn)題。但是，在一般照明領(lǐng)域，led與熒光燈相比，無(wú)論從成本還是效率方面，還有待提高，相關(guān)產(chǎn)品還有一個(gè)成熟過(guò)程。考慮到尺寸、復(fù)雜度以及成本上的優(yōu)勢(shì)，近來(lái)白光led成為小型便攜終端的理想光源。白光led只需相當(dāng)?shù)偷闹绷麟妷?3v至4v)，而ccfl則需要極高的交流電壓，要占用較大的線路板面積。此外，符合rohs要求，具有更低工作電壓，在設(shè)計(jì)和安全方面提供另一優(yōu)勢(shì)，led背光系統(tǒng)還提高碰撞和振動(dòng)的耐用性。而且led背光響應(yīng)速度快、色彩飽和度(ntsc)高達(dá)130%及動(dòng)態(tài)影像顯示效果佳，被認(rèn)為是未來(lái)大尺寸l

14、cd面板中取代ccfl傳統(tǒng)背光源、最具增長(zhǎng)潛力的背光源，已吸引全球主要led與面板廠商積極開(kāi)展led背光源的應(yīng)用研究。其良好的色彩表現(xiàn)特性，還可應(yīng)用于面向印刷業(yè)務(wù)的顯示器和內(nèi)窺鏡監(jiān)視器等醫(yī)療用途。led芯片的表面面積小，工作時(shí)電流密度大，照明往往要求多個(gè)led組合而成，led密集度大，發(fā)熱密度高。結(jié)溫上升導(dǎo)致光輸出減少，芯片加快蛻化，縮短器件壽命。發(fā)光二極管隨結(jié)溫的上升向長(zhǎng)波方向漂移(橙紅色和琥珀色的led色漂移的視覺(jué)效應(yīng)更顯著)。如果要考慮到實(shí)際應(yīng)用中對(duì)色漂移的不良影響，熱設(shè)計(jì)也要對(duì)最高結(jié)溫進(jìn)行限制。由于led芯片輸入功率的不斷提高，對(duì)這些功率型led的封裝技術(shù)提出了更高的要求，散熱問(wèn)題因?yàn)?/p>

15、牽扯到光、電、色等一系列的問(wèn)題，成了必須考慮的突出問(wèn)題。第二章 白光led的發(fā)光機(jī)理2.1白光led的技術(shù)概況led是light emitting diode的縮寫，中文譯為“發(fā)光二極管”。顧名思義，這是一種會(huì)發(fā)光的半導(dǎo)體器件，且具有二極管的電子特性。led屬于半導(dǎo)體光電器件，除了具有發(fā)光特性之外，它完全具備半導(dǎo)體整流二極管的特性。自從出現(xiàn)發(fā)光二極管led 以來(lái)，人們一直在努力追求實(shí)現(xiàn)固體光源，隨著led制造工藝的不斷進(jìn)步和新型材料（氮化物晶體和熒光粉）的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用，使發(fā)白色光的led固體光源性能不斷完善并進(jìn)入實(shí)用階段。白光led的出現(xiàn)，使led應(yīng)用領(lǐng)域跨足至高效率照明光源市場(chǎng)。2.2 led

16、發(fā)光原理2.2.1 led發(fā)光機(jī)理led又稱為發(fā)光二極管，由-族化合物，如gaas（砷化鎵）、gap（磷化鎵）、gaasp（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，他的原理主要是應(yīng)用二極管體內(nèi)電子與空穴的復(fù)合過(guò)程中產(chǎn)生的能量，轉(zhuǎn)化為光能輸出，當(dāng)pn結(jié)加正向電壓時(shí)，n區(qū)電子在電場(chǎng)作用下向p區(qū)移動(dòng)，而p區(qū)的空穴則向n區(qū)移動(dòng)。(如圖1.1)p區(qū)的電子和n區(qū)的空穴（又稱為少子）分別與p區(qū)的空穴和n區(qū)的電子復(fù)合（又稱為多子），這時(shí)候兩者結(jié)合就會(huì)釋放出多余能量。p區(qū)和n區(qū)都會(huì)復(fù)合發(fā)光，我們現(xiàn)在先假設(shè)結(jié)合地點(diǎn)為p區(qū)，電子注入p區(qū)稱為少子，可能直接與導(dǎo)帶中的空穴復(fù)合，也可能被發(fā)光中心捕獲，而后再與空穴復(fù)合，后面這種情況會(huì)使

17、得每次結(jié)合釋放的能量不大不能發(fā)出可見(jiàn)光。圖1.1 led的pn結(jié)結(jié)構(gòu)因而，發(fā)光效率直接取決于，這兩種發(fā)光狀態(tài)發(fā)光復(fù)合量的比例。發(fā)光的復(fù)合量相對(duì)于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。并且我們從圖可以直觀的知道，發(fā)光釋放的光子的能量與（禁帶寬度）成正比，而光子的能量又與波長(zhǎng)成反比，得到關(guān)系式 = （1-1） =（1-2） 將c，h，e分別代入可以得到如下關(guān)系式：1240/eg（mm）。又因?yàn)榭梢?jiàn)光的波長(zhǎng)范圍是在380nm紫光780nm紅光所以帶入公式可得到，eg在3.26 ev1.63 ev之間。因此，波長(zhǎng)越短的紫光，所要求的禁帶寬度也就越寬，這也就是為什么波長(zhǎng)相對(duì)較短的釋放藍(lán)光的led材料在

18、過(guò)去難以實(shí)現(xiàn)的原因。2.2.2白光led發(fā)光原理我們知道，能發(fā)出白色光線的led并不存在，原因在于白色并不是單一的頻率。哪么白色的led是如何實(shí)現(xiàn)呢？(l)紅、綠、藍(lán)三基色芯片led或三基色led燈混合實(shí)現(xiàn)白光。圖 1.2是1931年國(guó)際照明委員會(huì)發(fā)布的色度圖，馬蹄形邊緣，表示單色光;在中心為普朗克軌跡，該曲線循著黑體溫度從1000k到10000k以上連續(xù)變化(肉眼感受到白光);計(jì)色三角頂點(diǎn)，分別標(biāo)志單色460，540和610nm，是三基色固體照明光源所關(guān)注的重點(diǎn)波長(zhǎng)，三角內(nèi)部色域可由三基色得到。圖1.2 cie（x,y）色度圖。其中e代表純白色，x帶表w-led的顏色。三芯片型發(fā)光材料主要有

19、gaasp、algaa等發(fā)紅光;algalnp/gaas、algalnp/gap等發(fā)紅光和橙光;gap發(fā)綠光;ingan發(fā)藍(lán)光。而紅、綠、藍(lán)三個(gè)led封裝一起，光效可達(dá)20lln/w，發(fā)光效率較高，顯色性好。三基色led混合，通過(guò)三基色光的分別調(diào)整可控制色彩。但三芯片型比三基色混合型成本較高，并且存在紅、綠、藍(lán)芯片光衰不同產(chǎn)生變色現(xiàn)象等缺陷。(2)用gan基藍(lán)色led芯片發(fā)出的藍(lán)光激發(fā)熒光粉發(fā)光，使藍(lán)光與黃光混合發(fā)出白光。白光led的發(fā)射波長(zhǎng)(實(shí)線)包括藍(lán)光和黃光區(qū)域的峰值，但是在肉眼看來(lái)就是白色，如圖所示(肉眼的相對(duì)光敏感性曲線-虛線)。白光led 的發(fā)射波長(zhǎng)(實(shí)線)包括藍(lán)光和黃光區(qū)域的峰值

20、，但是在肉眼看來(lái)就是白色。白光led原理圖如圖1.3所示。圖1.3白光ledingan藍(lán)光芯片激發(fā)yag熒光粉得到的白光，光效可15lm/w。這種方法發(fā)光效率高，制備簡(jiǎn)單，溫度穩(wěn)定性高，顯色性也好。但色彩會(huì)隨角度而變，光一致性較差。由于技術(shù)的發(fā)展與成本的影響，目前采用這種方法的白光led發(fā)展最迅速，技術(shù)最成熟，商品化程度最高。(3)紫外光或紫光led激發(fā)三基色熒光粉，發(fā)出白光。顯然也可選用兩基色、四基色、五基色熒光粉，同樣實(shí)現(xiàn)白光led。這種方法決定于熒光粉，易實(shí)現(xiàn)較高的顯色性，白光制備方法也簡(jiǎn)便易行。但是目前存在發(fā)光效率低，溫度穩(wěn)定性差，紫光容易遺漏等缺陷。圖1.4 三種白光及其光譜組成2.

21、3白光led的發(fā)光效率 從理論和技術(shù)發(fā)展角度分析，白光led的光效可以達(dá)到200m/w以上，2010年將進(jìn)入家庭照明領(lǐng)域。為達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，白光led有兩個(gè)問(wèn)題必須解決，即提高光效和光通量。目前人們正對(duì)藍(lán)光、紫外光led的芯片、封裝工藝（包括熒光粉涂敷工藝）及熒光粉進(jìn)行改造。對(duì)于芯片來(lái)說(shuō)，發(fā)展大尺寸芯片，制造大功率芯片，采用芯片導(dǎo)致新技術(shù)使外量子效率提高，并積極研制波長(zhǎng)更短的紫外光led。最近，美國(guó)南加州大學(xué)采用四元alingan多層量子阱技術(shù)研制出了峰值波長(zhǎng)為305340nm的紫外光led，這是目前波長(zhǎng)最短的紫外光led。對(duì)于這種20um1000um的條狀器件而言，峰值波長(zhǎng)為340nm的輸出功

22、率高達(dá)1mw。在白光led設(shè)計(jì)中在發(fā)射藍(lán)光的ingan基板上覆蓋轉(zhuǎn)換材料，這種材料在收到藍(lán)光激勵(lì)時(shí)會(huì)發(fā)出黃光，于是得到了藍(lán)光和黃光的混合物，在肉眼看來(lái)就是白色的。白光led的發(fā)射波長(zhǎng)（如圖2.3.1）包括藍(lán)光和黃光區(qū)域的峰值，但是在肉眼看來(lái)就是白色的。圖2.3.1 白光led 的發(fā)射波長(zhǎng)及肉眼的相對(duì)光感性因?yàn)榘坠馐遣煌ㄩL(zhǎng)單色光的混合，所以，白光led不可能有一個(gè)特定波長(zhǎng)，因此，人們用色坐標(biāo)定義白光led。白光led數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常給出了色坐標(biāo)隨正向電流增大而變化的關(guān)系曲線，如2.3.1正向電流的變化改變了白光led的色坐標(biāo)，并因此改變了白光質(zhì)量。采用ingan技術(shù)的led并不像標(biāo)準(zhǔn)綠光、紅光和

23、黃光led那樣容易控制。ingan led的顯示波長(zhǎng)（色彩）會(huì)隨著正向電流改變。例如，白光led所呈現(xiàn)的色彩變化產(chǎn)生于轉(zhuǎn)換材料的不同濃度，以及藍(lán)光ingan材料隨著正向電壓的變化而產(chǎn)生波長(zhǎng)變化。在圖2.3.2中，通過(guò)增大正向電流改變其發(fā)射波長(zhǎng)，從而改變藍(lán)光led的色彩。圖2.3.22.4襯底材料2.4.1 led的襯底材料的選擇半導(dǎo)體器件的襯底材料也稱為基片材料。外延層都是在襯底材料上生長(zhǎng)獲得的。led的襯底材料是led器件發(fā)展的基石，不同的襯底材料決定了不同的生長(zhǎng)技術(shù)，芯片加工技術(shù)和器件封裝技術(shù)，因此它決定了led器件的發(fā)展路線。關(guān)于led襯底材料的選擇，通常有以下要求。（1） 結(jié)構(gòu)特型好，

24、外延材料與襯底的晶格結(jié)構(gòu)相同或相近，晶格常數(shù)失配度小，結(jié)晶性能好；（2） 界面特型好，有利于外延材料的生長(zhǎng)，并且黏附性強(qiáng)；（3） 化學(xué)穩(wěn)定性好，在外延生長(zhǎng)的溫度和氣氛中不容易分解和被腐蝕；（4） 熱學(xué)性能好，包括導(dǎo)熱性好和熱失配度?。唬?） 有良好的導(dǎo)電性，能制成上下層結(jié)構(gòu)；（6） 光學(xué)性能好，對(duì)光的吸收少，有利于提高器件的發(fā)光效率；（7） 機(jī)械性能好，器件容易加工；（8） 尺寸大，通常要求直徑不小于2in(1in=0.0254m);（9） 價(jià)格低廉；襯底材料的選擇同時(shí)滿足上述9個(gè)方面的要求是很困難的，所以，人們目前只能通過(guò)外延生長(zhǎng)技術(shù)的變更和器件加工工藝的調(diào)整來(lái)適應(yīng)不同襯底上的半導(dǎo)體發(fā)光器件

25、的研究與生產(chǎn)。2.4.2led襯底材料的種類（1） 藍(lán)寶石（al2o3）藍(lán)寶石是目前用于生長(zhǎng)gan和ingan的主要襯底材料，其優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)穩(wěn)定性好，不吸收可見(jiàn)光，透光性好，制備技術(shù)比較成熟，價(jià)格適中。但其不足是晶格失配性高，導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性欠佳，硬度高而不易加工。但是，這些不足目前均得到克服，如采用過(guò)渡層生長(zhǎng)技術(shù)來(lái)克服晶格失配，通過(guò)同側(cè)p、n電極可克服導(dǎo)電性能差，通過(guò)激光劃片解決了不易切割的問(wèn)題。國(guó)外對(duì)該襯底的主攻方向是生長(zhǎng)46in乃至更大直徑的單晶，進(jìn)一步降低雜質(zhì)污染，提高表面拋光質(zhì)量。（2） 碳化硅（sic）該襯底材料有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，如化學(xué)穩(wěn)定性好，有優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，不吸收可見(jiàn)光等，

26、因此成為目前用于gan、ingan生長(zhǎng)的僅次于藍(lán)寶石的襯底材料，它在市場(chǎng)的占有率位居第二。但其不足主要在價(jià)格較高，機(jī)械加工性能較差、晶體質(zhì)量難以與藍(lán)寶石和硅媲美。此外，碳化硅材料吸收380nm以下的紫外光，不適合用于制造紫外led。由于sic襯底具有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，不需要像采用藍(lán)寶石襯底的gan led器件那樣采用倒裝焊技術(shù)來(lái)解決散熱問(wèn)題，而是采用上、下電極結(jié)構(gòu)，從而能較好地解決功率型gan led器件的散熱問(wèn)題。目前世界上能提供高質(zhì)量sic襯底材料的廠家只有美國(guó)cree等少數(shù)幾家公司，今后sic襯底的研發(fā)主要任務(wù)是大幅度降低制造成本和提高晶體晶格質(zhì)量。（3） 硅（si）硅襯底材料的優(yōu)點(diǎn)

27、是晶體質(zhì)量高，尺寸大，成本低，易加工，有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性。在硅材料上制備gan led是人們夢(mèng)寐以求的，一旦在技術(shù)上取得突破，外延生長(zhǎng)和led器件加工成本將會(huì)降低。令人遺憾的是，由于gan外延層與si襯底之間存在巨大的晶格失配和熱失配，在gan生長(zhǎng)過(guò)程中容易形成非晶氮化硅，在si襯底上很難得到無(wú)龜裂和實(shí)用的gan材料。此外，由于si襯底對(duì)光的吸收嚴(yán)重，led的發(fā)光效率很低。目前si襯底技術(shù)仍在研發(fā)階段，尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。目前，國(guó)際較為領(lǐng)先的技術(shù)在si襯底上外延的藍(lán)光led為幾毫瓦。（4）氮化鎵（gan）gan單晶材料是用于生長(zhǎng)gan外延層的最理想的襯底。用gan作襯底生長(zhǎng)gan外延

28、層，可以大大提高外延膜晶體質(zhì)量，降低位錯(cuò)密度，提高led發(fā)光效率、電流密度和壽命，但這種單晶材料制備非常困難，且價(jià)格高，使其實(shí)現(xiàn)商品化收到限制。日本和美國(guó)的幾家公司 采用氫化物氣相外延（hvpe）方法，在al2o3、sic等襯底上先生長(zhǎng)gan厚膜，再通過(guò)剝離技術(shù)實(shí)現(xiàn)襯底和gan厚膜的分離，分離后的gan厚膜作為外延gan的襯底。一片2英寸的gan價(jià)格接近1萬(wàn)美元。目前，國(guó)內(nèi)研究gan襯底是用mocvd和hvpe兩種設(shè)備分別進(jìn)行。先用mocvd生長(zhǎng)0.11um的結(jié)晶層，再用hvpe生長(zhǎng)約300um的gan襯底層，最后將原襯底剝離、拋光。這種方法由于襯底分兩次生長(zhǎng)，表面污染較嚴(yán)重，由于生長(zhǎng)過(guò)程需降

29、溫停頓，造成表面再構(gòu)，影響第二次生長(zhǎng)。（5）砷化鎵（ga as） 該材料是目前l(fā)ed中使用較為廣泛的，它可以用來(lái)ga as、gap、algaas和發(fā)光材料的外延層alingap等發(fā)光材料外延層。ga as的優(yōu)點(diǎn)是晶格常數(shù)比較匹配，可以制成五位錯(cuò)單晶，加工方便，價(jià)格比較便宜；缺點(diǎn)是其為吸光材料，影響led的發(fā)光效率。（6）氧化鋅（zno）zno與gan的晶格結(jié)構(gòu)相同，禁帶寬度非常接近，所以zno是gan外延的候選襯底。但是，zno的致命弱點(diǎn)是在gan外延生長(zhǎng)的溫度和氣氛中容易發(fā)生分解和被腐蝕，所以目前尚不能用來(lái)制造光電子器件。 在上述led芯片外延襯底材料中，雖然用于gan生長(zhǎng)的襯底材料較多，但

30、目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化的僅限于al2o3 和sic兩種，其他幾種襯底材料有待于繼續(xù)研發(fā)。2.5工藝在1995年前，白光led工藝技術(shù)定位于信號(hào)裝置中的應(yīng)用，其主要參數(shù)為亮度。1995年以后，不但雖光效，還對(duì)光通量給予了更大的關(guān)注。因此，有必要對(duì)白光led的這些參數(shù)與傳統(tǒng)光源的類似參數(shù)進(jìn)行比較。首先，白光led發(fā)出的光與傳統(tǒng)光源不同的是有很強(qiáng)的方向性。與傳統(tǒng)照明系統(tǒng)效率有關(guān)的有效光通量為燈光通量的50%70%。其次，白光led的多數(shù)參數(shù)與直徑有關(guān)。通常白光led在晶體內(nèi)的尺寸約為0.1nm，并按20ma計(jì)算。光效為15lm/w的5mm白光led的光通量約為1lm，對(duì)于這樣的電流和光通量不需要太嚴(yán)格的

31、散熱條件。對(duì)于照明來(lái)說(shuō)，通常需要幾百到幾千只5mm的白光led來(lái)代替正常光源。因此，白光led燈具應(yīng)是一個(gè)集合的裝置，它包含有大量的單體白光led應(yīng)具有適當(dāng)?shù)碾姎?、絕熱和機(jī)械特性，達(dá)到二級(jí)產(chǎn)品水平。當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)的5mm白光led時(shí)，二級(jí)水平產(chǎn)品的尺寸變得極大。因此，為使照明中采用白光led，所需的工藝技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)5mm輻射器有本質(zhì)區(qū)別。為使二級(jí)水平產(chǎn)品的尺寸和價(jià)格保持在可接受范圍內(nèi)，照明中l(wèi)ed的數(shù)量必須減少，而單只白光led發(fā)出的光應(yīng)增加10100倍。為了實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，需要增大晶體的尺寸和輸出電流值。從本質(zhì)上看，白光led與傳統(tǒng)光源的基本區(qū)別是，白光led（二級(jí)水平）具有通用燈具中光源與光學(xué)器件組

32、合后的光通量和光強(qiáng)分布曲線。白光led發(fā)出的是單色光，在用白光led代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源前，必須確定白光led應(yīng)達(dá)到必要的效率水平和質(zhì)量。2.6大功率白光led散熱技術(shù)led是靠電子在能帶間躍遷產(chǎn)生光，其光譜中不包含紅外部分，led的熱量不能靠輻射散出，因此led是“冷”光源。目前l(fā)ed的發(fā)光效率僅能達(dá)到10%20%，也就是說(shuō)，還有80%90%的熱量轉(zhuǎn)換成了熱能，如果led芯片的熱量不能散出去，會(huì)加速芯片的老化，還有可能刀子焊點(diǎn)的熔化而使芯片失效。所以，芯片的溫度不能超過(guò)125。大功率白光led采用兩種新技術(shù)，分別是提高電流密度與發(fā)光效率。提高電力密度是利用金屬封轉(zhuǎn)方式將led產(chǎn)生的熱量高效率擴(kuò)散，以

33、提高輸入功率（相對(duì)于普通led，大功率白光led可提高2040倍）。2.7白光led技術(shù)研究白光led的研究目的是實(shí)現(xiàn)高效率、高功率、長(zhǎng)壽命，其技術(shù)難題是降低缺陷密度、改善歐姆接觸、電場(chǎng)均勻性。提高光引出率、減小升溫等。在研究中采取的主要措施是側(cè)向生長(zhǎng)、匹配襯底、封裝技術(shù)改進(jìn)等。從芯片來(lái)說(shuō)，目前在襯底材料、芯片外延技術(shù)以及白光led器件的制作方面都取得了比較大的進(jìn)展。在藍(lán)寶石上，因?yàn)樗囊r底不匹配，所以采用了側(cè)向外延技術(shù)，使白光led的性能得到了比較大的提高。目前芯片研究進(jìn)展如下。基于藍(lán)寶石襯底的藍(lán)、綠、紫及紫外光led目前所獲得的最佳性能是在采取側(cè)向生長(zhǎng)等技術(shù)的基礎(chǔ)上取得的，目的在于減小位錯(cuò)

34、密度。藍(lán)、紫光器件的外量子效率約為40%，而綠、紫外光器件約為15%，離目標(biāo)值分別相差26倍。基于該芯片的白光led的性能提高主要依賴于熒光粉和等封裝技術(shù)的改進(jìn)。由于采用碳化硅所做的器件具有更小的位錯(cuò)密度，基于該襯底的各色光led的性能仍優(yōu)于藍(lán)寶石襯底側(cè)向成長(zhǎng)的led，但由于該襯底材料比藍(lán)寶石貴710倍，有關(guān)性能優(yōu)化的研究工作做的相對(duì)較少。分別用碳化硅和氧化鋁以及gan和藍(lán)寶石作為襯底材料所做的發(fā)光期間對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，它們的紫外發(fā)光特性具有數(shù)量級(jí)的差別，說(shuō)明基于匹配襯底所做的低缺陷密度led由可能獲得最佳的發(fā)光性能（包括流明效率和單管產(chǎn)生的數(shù)據(jù)）。未來(lái)實(shí)現(xiàn)高效白光led照明系統(tǒng)實(shí)用化，實(shí)施半導(dǎo)體

35、照明研究的主要內(nèi)容如下。研究以使用紫外光led的ain、gan等為中心的化合物半導(dǎo)體的發(fā)光機(jī)理。改進(jìn)藍(lán)光、紫外光led的外延生長(zhǎng)技術(shù)。開(kāi)發(fā)均質(zhì)外延板。開(kāi)發(fā)高效r、g、b熒光粉。第三章 白光led綜述3.1白光led的特點(diǎn)白光led是最被看好的led新興產(chǎn)品，其在照明市場(chǎng)的發(fā)展?jié)摿χ档闷诖?。與白熾燈及熒光燈相比，白光led具有體積?。ǘ嘀?、多種組合）、發(fā)熱量低（沒(méi)有熱輻射）、耗電量小（低電壓、小電流啟動(dòng)）、壽命長(zhǎng)（1萬(wàn)小時(shí)以上）、反應(yīng)速度快（可高頻操作）、環(huán)保（耐震、耐沖擊，廢棄物可回收，沒(méi)有污染）、可平面封裝、易開(kāi)發(fā)成輕薄短小產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)，沒(méi)有白熾燈高耗電、易碎及熒含光燈廢棄物汞污染等缺點(diǎn)。白光

36、led與現(xiàn)行照明光源見(jiàn)表3.1。照 明 方 式特 點(diǎn)白光led具有發(fā)熱量低、耗電量?。ò谉霟舻?/8，熒光燈泡的1/2）、壽命長(zhǎng)（數(shù)萬(wàn)小時(shí)，是熒光燈的10倍）、反應(yīng)速度快、體積小、可平面封裝等優(yōu)點(diǎn)，易開(kāi)發(fā)成輕薄短小的產(chǎn)品，是被業(yè)界看好在未來(lái)10年內(nèi)代替?zhèn)鹘y(tǒng)照明器具的一大潛力產(chǎn)品熒光燈省電，但是廢棄物有汞污染、易碎白癡鎢絲燈效率低，耗電量大，壽命短，易碎表3.1對(duì)白熾燈，5mmled與大功率白光led的壽命進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)大功率白光led在壽命上有很大的優(yōu)勢(shì)，而白熾燈以及其他一些傳統(tǒng)光源在很多技術(shù)方面提升的空間已經(jīng)很小了。led的光譜分布情況決定了其色純度和飽和度是傳統(tǒng)光源所無(wú)法比擬的，因此具

37、有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。led的封裝技術(shù)決定了其光源發(fā)光性非常強(qiáng)，大功率白光led單顆粒光效高，體積小巧，設(shè)計(jì)彈性很大，可最大限度配合燈光載體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，且安裝方便。3.2白光led的優(yōu)點(diǎn)近幾年業(yè)界開(kāi)始大量采用白光led代替ccfl和el作為led的背光源。與ccfl、el相比，白光led具有如下優(yōu)點(diǎn)?？墒筶cd的色彩更逼真，采用白光led可提供130%的ntsc色階，而ccfl敬畏70%。色階的擴(kuò)充使lcd影像的色度更飽和、更逼真；可使lcd的厚度更小，在18英寸lcd模塊中，采用白光led作為背光源厚度為46mm，而采用ccfl時(shí)為812nm。壽命長(zhǎng)，可達(dá)5萬(wàn)小時(shí)。符合環(huán)保要求，白光led不含汞

38、。與el背光源相比，白光led背光源不會(huì)產(chǎn)生干擾。因此，白光led背光源廣泛用于pc、tv、汽車音響、手機(jī)、通信設(shè)備、個(gè)人數(shù)字助理（pda）和手表等領(lǐng)域，它已成為lcd背光源市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品。2002年白光led的市場(chǎng)需求量的60%左右。目前，有綠、紅、藍(lán)和白光led作為lcd的背光源，由于價(jià)格因素，綠光led占主流，約占led背光源產(chǎn)品的80%。它的額定電流為220ma，亮度為600mcd。由于白光led的成本較高，目前主要用于彩屏手機(jī)和彩屏pda的背光照明以及汽車儀表的照明。未來(lái)白光led在技術(shù)上有朝三波長(zhǎng)全彩方向發(fā)展的趨勢(shì)，目前發(fā)光效率為15lm/w，未來(lái)目標(biāo)是達(dá)到50lm/w。因此，三波

39、長(zhǎng)、全彩、高流明、低成本是白光led的發(fā)展方向。白光led的研發(fā)動(dòng)向見(jiàn)表3.2。表3.2 白光led的研發(fā)方向發(fā)展方向目前指標(biāo)研發(fā)目標(biāo)提高發(fā)光效率15lm/w100lm/w開(kāi)發(fā)gan無(wú)機(jī)uv-led短波激發(fā)光源46nm254nm提高外部量子轉(zhuǎn)換效率10%40%提高熒光材料的能量轉(zhuǎn)換效率60%90%j降低成本0.5美元/流明0.0005美元/流明降低無(wú)機(jī)led晶體成本1美元/個(gè)0.5美元/個(gè)高操作功率技術(shù)研發(fā)3.3白光led的展望在研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面，大陸與國(guó)際一流水平的lumi1eds、cree、osram、nichia等公司存在較大差距，甚至和韓國(guó)和臺(tái)灣地區(qū)相比也有一定差距。國(guó)內(nèi)led封裝產(chǎn)品

40、的品種較齊全，封裝能力超過(guò)200億只/年，封裝的配套能力也很強(qiáng)，主要原材料和配套件來(lái)源廣泛，如金絲、硅鋁絲、環(huán)氧樹(shù)脂、銀漿、支架、條帶、電鍍、塑料框架和各種塑料件、封裝模具、各種金屬件及工夾具等。但是很多封裝廠為私營(yíng)企業(yè)，規(guī)模偏小。國(guó)內(nèi)以中科院半導(dǎo)體所、物理所、北京大學(xué)、清華大學(xué)、信息產(chǎn)業(yè)部13所等科研院所為代表，從“九五”開(kāi)始積極介入第三代半導(dǎo)體材料氮化嫁(gan)led領(lǐng)域的研發(fā)，并在“九五”、“十五”期間逐步將技術(shù)成果進(jìn)行轉(zhuǎn)化。國(guó)內(nèi)gan基藍(lán)色led目前仍然存在以下問(wèn)題:大功率芯片尚待突破，芯片的參數(shù)一致性、抗光衰和可靠性指標(biāo)等有待進(jìn)一步提高。目前超高亮度led芯片主要依靠進(jìn)口，高檔次的芯片很難購(gòu)進(jìn)。大功率led封裝剛處于開(kāi)發(fā)階段