氮化鎵基半導(dǎo)體照明LED及其應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化

1、氮化錢基半導(dǎo)體照明L ED及其應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化摘要：文章分析了照明用半導(dǎo)體LED的外延、芯片及封裝等相關(guān)技術(shù)，介紹了在光譜特性、散熱性能、出光技術(shù)等方面的探索，提出了一些具體的解決方案，并對(duì)LED的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)進(jìn)行了討論。關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體照明封裝1 前言發(fā)光二極管(LightEmittingDi ode, LED)是可以直接將電能轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光和輻射能的發(fā)光器件，具有工作電壓低、耗電量小、響應(yīng)時(shí)間短、光色純、結(jié)構(gòu)牢固、抗沖擊、耐振動(dòng)、性能穩(wěn)定可靠、重量輕、體積小等一系列特性。近年來(lái)，LED發(fā)展突飛猛進(jìn)。其中基于氮化線G a N材料的高亮度功率型半導(dǎo)體照明是化合物半導(dǎo)體乃至整個(gè)光電子和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界的研發(fā)熱點(diǎn)

2、，發(fā)展前景極其廣闊。與傳統(tǒng)照明技術(shù)相比，這種新型光源具有高效節(jié)能、長(zhǎng)壽命、小體積、易維護(hù)、環(huán)保、安全、耐候性好等優(yōu)勢(shì)，被公認(rèn)為是極具發(fā)展前途的照明光源。隨著北京市各項(xiàng)奧運(yùn)工程的深入開展，新一代城市景觀照明燈、大屏幕全彩顯示屏、戶內(nèi)外公共場(chǎng)所信息指示牌等眾多應(yīng)用將進(jìn)一步加大對(duì)高亮度半導(dǎo)體照明光源的需求量，LED在民用照明領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用也將進(jìn)一步得到推廣。2、國(guó)內(nèi)外研發(fā)進(jìn)展在高亮度及功率型LED研發(fā)方面居于國(guó)際先進(jìn)水平的公司主要分布在美國(guó)、日本、歐洲和韓國(guó)，代表性的公司有：美國(guó)的Lumi leds, Cree, Agi lent公司，日本的N ichia,ToyoTa G o s e i公司，歐洲的

3、0 s r a m , Philip s公司等。這些跨國(guó)大公司多有原創(chuàng)性的專利，引領(lǐng)技術(shù)潮流，占領(lǐng)絕大多數(shù)的市場(chǎng)份額。臺(tái)灣的一些光電企業(yè)，如AET, Arima, Epistar , E p i t e c h等也起步較早，在下游工藝和封裝以及上游材料外延方面具備了若干自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，也占有一定的市場(chǎng)份額。最近12年內(nèi)，韓國(guó)LG, Innotech, Samsung, Epiplus , E p i v a 1 1 e y等公司的相關(guān)技術(shù)優(yōu)勢(shì)更加突出。我國(guó)在功率型LED芯片，特別是GaN基高亮度藍(lán)綠色、紫色管芯芯片及半導(dǎo)體白光照明燈具方面的研究正在迅速發(fā)展。代表性的企業(yè)主要有：方大國(guó)科、華光、藍(lán)

4、寶、路美、Podium、廈門三安、上海藍(lán)光等。在傳統(tǒng)的藍(lán)綠色LED市場(chǎng)中，此種LED在我國(guó)特別是珠江三角洲地區(qū)有大量的封裝廠和產(chǎn)品銷售，但是芯片大多由臺(tái)灣和韓國(guó)進(jìn)口。由于該類低價(jià)芯片一般為功率水平較低的低檔產(chǎn)品(7 0mW電功率輸入下，藍(lán)綠光的發(fā)光功率為13mW),在車載儀表顯示、高品質(zhì)大屏幕應(yīng)用等方面不具有競(jìng)爭(zhēng)力。在各種LED照明領(lǐng)域，其產(chǎn)業(yè)鏈正處于初步發(fā)展的階段。世界各國(guó)、各地區(qū)的生產(chǎn)廠商均在加大研發(fā)力度。而我國(guó)在該領(lǐng)域則剛剛起步，面向半導(dǎo)體照明的大功率管芯產(chǎn)品幾乎還是空白。3、LED技術(shù)原理組成物質(zhì)的基本粒子、原子和電子在電場(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生能態(tài)躍遷，當(dāng)它們從高能態(tài)回到低能態(tài)時(shí)，多余的能量

5、會(huì)以光的形式釋放出來(lái)，產(chǎn)生電致發(fā)光的現(xiàn)象。20世紀(jì)20年代，法國(guó)科學(xué)家0 W LOS SOW就發(fā)現(xiàn)了碳化硅材料的電致發(fā)光現(xiàn)象。直到20世紀(jì)40年代，隨著材料與器件工藝的發(fā)展，才研制成功碑磷錢發(fā)光二極管。LED的核心發(fā)光部分是由p型和n型半導(dǎo)體構(gòu)成的p-n結(jié)管芯，當(dāng)注入p - n結(jié)的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)，就會(huì)發(fā)出可見(jiàn)光、紫外光或近紅外光。到上世紀(jì)90 年代，采用雙異質(zhì)結(jié)與多量子阱結(jié)構(gòu)，提高了發(fā)光二極管的亮度，之后，又通過(guò)MOCVD技術(shù)在藍(lán)寶石與碳化硅的襯底上成功生長(zhǎng)了具有器件結(jié)構(gòu)的氮化鎵基的發(fā)光二極管外延片，制造出亮度很高的藍(lán)綠光發(fā)光二極管。實(shí)際上，LED產(chǎn)生的所有光并不是都可以釋放出來(lái)

6、的，這主要取決于半導(dǎo)體材料的質(zhì)量、管芯結(jié)構(gòu)及幾何形狀、封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)與包封材料。如常規(guī)5 mm型L ED封裝是將邊長(zhǎng)0 . 2 5 mm的正方形管芯粘結(jié)或燒結(jié)在引線架上，管芯的正極通過(guò)球形接觸點(diǎn)與金絲，鍵合為內(nèi)引線與一條管腳相連，負(fù)極通過(guò)反射杯和引線架的另一管腳相連，然后其頂部用環(huán)氧樹脂包封。反射杯的作用是收集管芯側(cè)面、界面發(fā)出的光，向期望的方向角內(nèi)發(fā)射。頂部包封的環(huán)氧樹脂做成一定形狀。由于管芯折射率與環(huán)氧樹脂折射率相差較大，致使管芯內(nèi)部的全反射臨界角很小，其有源層產(chǎn)生的光只有小部分被取出，大部分在管芯內(nèi)部經(jīng)多次反射而被吸收，導(dǎo)致光的過(guò)多損失。選擇不同折射率的封裝材料及封裝幾何形狀對(duì)光子逸出效率

7、的影響是不同的，發(fā)光強(qiáng)度的角分布也與管芯結(jié)構(gòu)、光輸出方式、封裝透鏡所用材質(zhì)和形狀有關(guān)。若采用尖形樹脂透鏡，可使光集中到LED的軸線方向，相應(yīng)的視角較?。蝗绻敳康臉渲哥R為圓形或平面形，其相應(yīng)視角將增大。一般情況下，LED的發(fā)光波長(zhǎng)隨著溫度變化為0 . 20. 3 nm/C,光譜寬度也隨之增加，影響顏色鮮艷度。另外，當(dāng)正向電流流經(jīng)p - n結(jié)，發(fā)熱性損耗使結(jié)區(qū)產(chǎn)生溫升，在室溫附近，溫度每升高1 C, LED的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)減少1 %左右。目前，很多功率型LED的驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到7 0 mA、10 0mA甚至1 A級(jí)，需要改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)，借助全新的LED封裝設(shè)計(jì)理念和低熱阻封裝結(jié)構(gòu)及技術(shù)，改善熱特

8、性。4 LED關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題4.1 光譜特性要作為照明光源，半導(dǎo)體LED常規(guī)產(chǎn)品的光通量與白熾燈和熒光燈等通用性光源相比，目前距離甚遠(yuǎn)。因此，關(guān)鍵要將其發(fā)光效率、光通量提高至現(xiàn)有照明光源的等級(jí)。半導(dǎo)體照明LED所用的外延材料采用 MOCVD的外延生長(zhǎng)技術(shù)和多量子阱結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是高光功率輸出、優(yōu)異的光譜特性。光譜特性是指發(fā) 光波長(zhǎng)的穩(wěn)定和極窄的光譜半高寬。發(fā)光二極管中心波長(zhǎng)隨注入電流變化是外延片材料制備過(guò)程中遇到的關(guān)鍵難題之一。眾多商品化的L ED芯片發(fā)光的中心波長(zhǎng)一般隨注入電流增大而造成發(fā)光波長(zhǎng)的嚴(yán)重不穩(wěn)定性。止匕外，LED芯片電致發(fā)光光譜的半高寬也是衡量外延片質(zhì)量的重要參數(shù)之一，半高寬越窄，發(fā)

9、光顏色越純。高質(zhì)量的I n G a N /Ga N多量子阱有源區(qū)生長(zhǎng)是G a N材料研究中的難點(diǎn)，也是各研究小組和生產(chǎn)廠商的核心技術(shù)。 采用了新型量子阱結(jié)構(gòu)的芯片，在注入電流由2 12 0mA變化時(shí)，中心發(fā)光波長(zhǎng)移動(dòng)小于1 n mo上述芯片2 0 mA注入下的電熒光光譜的半高全寬僅為1 8 n m,并且隨注入電流變化(2 1 2 0mA)僅為1 nm。同時(shí)，均勻性與重復(fù)性是外延片產(chǎn)業(yè)化技術(shù)中的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)、要求在高質(zhì)量外延片的產(chǎn)業(yè)化能力方面須具有雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)和保證，從而使外延片的成品率大大增加。4.2 散熱技術(shù)傳統(tǒng)的照明器件散熱問(wèn)題很容易解決，白熾燈、熒光燈在使用過(guò)程中燈絲達(dá)

10、到非常高的溫度，發(fā)出的光包含紅外線，可以通過(guò)輻射的方式散發(fā)熱量。如白熾燈泡8 5 % 9 0 %的熱量是通過(guò)輻射散出的。但是LED的發(fā)光機(jī)理不同，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，所以其熱量不能靠輻射散出，因此，LED又被稱為“冷”光源。 但是，目前L ED的發(fā)光效率僅能達(dá)到1 0%2 0%,還有8 0%9 0 %的能量轉(zhuǎn)換成了熱量。由于傳統(tǒng)LED的管芯功率小，需要散熱也小，因而散熱問(wèn)題不嚴(yán)重。目前制作的大功率白光L ED的芯片尺寸大多在1 mmX 1 mm以上，單個(gè)器件的耗散功率在1W以上，如果簡(jiǎn)單地把封裝尺寸也按比例放大，芯片的熱量不能散出去，會(huì)加速芯片和熒光粉的老化，還

11、可能導(dǎo)致倒裝焊的焊錫熔化，使芯片失效。而且，當(dāng)溫度上升時(shí)，LED色度變差，隨著藍(lán)光波長(zhǎng)變動(dòng)，YAG熒光粉吸收率下降，總發(fā)光強(qiáng)度會(huì)減少，白光色度變差。同時(shí)將會(huì)因?yàn)樯岵涣级鴮?dǎo)致芯片結(jié)溫迅速上升，環(huán)氧碳化變黃，從而加速器件的光衰直至失效，甚至因?yàn)檠杆俚臒崤蛎浰a(chǎn)生的應(yīng)力造成開路而失效。因此， 對(duì)于大工作電流的半導(dǎo)體照明LED芯片，低熱阻、散熱良好及低應(yīng)力的新的封裝結(jié)構(gòu)是技術(shù)關(guān)鍵。解決 熱問(wèn)題的方法主要有兩種：提高器件內(nèi)的量子效率，提高芯片的發(fā)光效率，從根本上減少熱量的產(chǎn)生；改 進(jìn)LED的結(jié)構(gòu)，加快內(nèi)部熱量的散發(fā)，以有效降低芯片的溫度。在芯片制作與封裝方面，我們主要采用以下方法幫助散熱：（1）芯片制

12、作采用倒裝焊的結(jié)構(gòu)，LED的熱量主要產(chǎn)生于很薄的有源層中，而封裝完成后的器件，其熱量則主要依靠向管座的熱傳導(dǎo)來(lái)散開。藍(lán)寶石襯底的導(dǎo)熱系數(shù)很小，因此普通正裝的芯片結(jié)構(gòu)會(huì)使管座與芯片有源層間產(chǎn)生很大的溫差，導(dǎo)致管芯溫度上升，從而影響器件的各項(xiàng)性能。采用倒裝焊芯片結(jié)構(gòu)后，利用S 1熱沉作為散熱的中間導(dǎo)體，因?yàn)槭菬岬牧紝?dǎo)體，其傳熱效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于正面出光的，靠藍(lán)寶石來(lái)散熱的片子；（2）改進(jìn)原有的LED封裝結(jié)構(gòu)，采取特殊的鋁基板作為器件的承載平臺(tái)，器件的反光與散熱都由2 mm厚的鋁基板完成，同時(shí)將GaN芯片粘附在A 1熱沉上，與 小5的LED僅靠碗狀模具散熱相比，更有利于熱量的傳輸；（ 3）器件在集群使用

13、時(shí)，必須采用散熱片以及合適的固定方式，必要時(shí)還需加散熱風(fēng)扇。（ 4）采用低電阻率、高導(dǎo)熱性能的材料粘結(jié)芯片；在器件的內(nèi)部填充柔性硅橡膠，在硅橡膠承受的溫度范圍內(nèi)（一般為4 0 C2 0 0 C）,膠體不會(huì)因溫度驟然變化而導(dǎo)致器件開路。零件材料也應(yīng)充分考慮其導(dǎo)熱、散熱特性，以獲得良好的整體熱特性。4.3 取光技術(shù)從理論上講，當(dāng)我們?cè)诎l(fā)光LED的 p-n結(jié)上施加正向電壓時(shí)，p-n結(jié)會(huì)有電流通過(guò)，電子和空穴在 p-n 結(jié)過(guò)渡層中復(fù)合會(huì)產(chǎn)生光子，但是光子并不能1 0 0 %地逸出到空氣中。主要原因如下：（ 1 ）由光的傳播理論中的光線折射定律可知，兩種不同材料的界面在折射系數(shù)不同時(shí)，將出現(xiàn)光線被反射的

14、現(xiàn)象，發(fā)光LED的芯片與周圍介質(zhì)在折射系數(shù)上不同，因此必然導(dǎo)致光線不能全部逸出；（2）發(fā)光LED芯片為了施加工作電流和電壓，必須固定在引線支架上，同時(shí)還需制作便于饋送電流的p 型和 n 型兩個(gè)電極，而這種能引出導(dǎo)線的電極一般由不透光的金屬構(gòu)成，這就阻擋了一部分光線逸出；（ 3）用作包封材料的環(huán)氧樹脂，其透光率存在一定的比率，并且在高溫下隨時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)變黃，透光率衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致一部分光線不能逸出；（ 4）環(huán)氧樹脂的包封形狀及其與空氣在折射系數(shù)上不同，對(duì)光線的逸出效率有較大的影響。目前，主要采用以下方法解決取光問(wèn)題：(1)采用芯片倒裝技術(shù)(FLIP CHIP),在硅襯底上制作出供共晶焊的金導(dǎo)線層及

15、引出導(dǎo)線層(超聲金絲球焊點(diǎn))；然后，利用共晶焊接設(shè)備把芯片與硅襯底焊接在一起。由于倒裝后的藍(lán)寶石襯底朝上成為出光面，藍(lán)寶石是透明的，同時(shí)兩個(gè)電極倒裝在下面不影響向上發(fā)光，因而提高了出光效率；(2)在器件內(nèi)部填充的柔性硅橡膠透明度高，在硅橡膠承受的溫度范圍內(nèi) (一般為4 0c2 0 0 C)膠體不會(huì)出現(xiàn)變黃現(xiàn)象；( 3)采取特殊的鋁基板作為器件的承載平臺(tái)，鋁基板的反光增加了出光效果；( 4)采用蒙特卡羅統(tǒng)計(jì)模擬方法，對(duì)封裝結(jié)構(gòu)的出光分布進(jìn)行模擬，在此基礎(chǔ)上修改部分結(jié)構(gòu)形式，有效地提高了光效。5 技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體照明用白光L E D主要技術(shù)路線有以下三種：(1)使用紅、綠、藍(lán)光三顆LED芯片，集成封裝在單個(gè)器件之內(nèi)，通過(guò)調(diào)整三顆LED的工作電流來(lái)產(chǎn)生寬譜白光；(2)采用超高亮度的藍(lán)紫色近紫外LED泵浦產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)三原色，由這三種基色熒光來(lái)混合形成白光；(3)以高亮度L ED產(chǎn)生的藍(lán)光為基礎(chǔ)，激發(fā)黃色無(wú)機(jī)熒光粉或黃色有機(jī)熒光染料，由激發(fā)獲得的黃光與原有藍(lán)光混合產(chǎn)生白光。通常認(rèn)為，采用三基色混光技術(shù)的產(chǎn)品性價(jià)比最低，目前尚不具備規(guī)?；a(chǎn)的能力。因而采用紫外泵浦光源的方法。泵浦光源的性能(壽命、穩(wěn)定性等指標(biāo))以及相應(yīng)熒光材料的壽命等問(wèn)題都有待于進(jìn)一步解決。目前而言，只有藍(lán)光泵浦光源加黃色熒光轉(zhuǎn)換材料的技術(shù)路線最具實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的可