大功率白光LED技術(shù)及進(jìn)展2011031030019譚燦

1、大功率白光LED技術(shù)及進(jìn)展2011031030019 譚燦 Page 22大功率白光大功率白光LED的定義的定義1、擁有大額定工作電流的發(fā)光二極管，發(fā)出的光為白色。2、通常 P1w; 電流幾十毫安到幾百毫安Page 33實(shí)現(xiàn)手段實(shí)現(xiàn)手段四種方式： 1. 三基色合成2. UVLED + RGB 熒光粉3.藍(lán)光 LED + YAG 熒光粉4.單一芯片非熒光轉(zhuǎn)換Page 441. RGB三基色合成三基色合成 將發(fā)出紅黃藍(lán)三種顏色的發(fā)光二極管按比例組合在芯片上，發(fā)出白光。Page 551. RGB三基色合成三基色合成Page 661. RGB三基色合成三基色合成 實(shí)現(xiàn)控制圖優(yōu)點(diǎn)：效率高，色度好缺點(diǎn)：成

2、本高；三種顏色LED隨時(shí)間的衰減速度各不相同, 紅、綠、藍(lán) LED 的衰減速率依次上升。Page 772、UVLED + RGB 熒光粉熒光粉 通過(guò)調(diào)整高亮度的近紫外 LED 紅、綠、藍(lán)熒光粉的配比可以形成白光。發(fā)光原理與RGB三基色合成幾乎相同 優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：1.更容易獲得顏色一致的白光, 2.可以獲得很高的顯色指數(shù)（90） 缺點(diǎn)： 1.高效的功率型紫外 LED 不容易制作; 2.激發(fā)低能量的紅綠藍(lán)光子導(dǎo)致效率較低 3.封裝材料在紫外光的照射下容易老化壽命縮短； 4.存在紫外線泄漏的安全隱患Page 883、藍(lán)光藍(lán)光 LED + YAG 熒光粉熒光粉 以功率型 GaN 基藍(lán)光 LED 為泵

3、浦源 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)生視覺(jué)效果的白光 優(yōu)點(diǎn)：白光 LED 發(fā)光管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作工藝相對(duì)容易,而且 YAG 熒光粉已經(jīng)在熒光燈領(lǐng)域應(yīng)用了許多年，工藝比較成熟。 缺點(diǎn)：藍(lán)光 LED 發(fā)光效率還不夠高短波長(zhǎng)的藍(lán)光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生長(zhǎng)波長(zhǎng)的黃光存在能量損耗熒光粉與封裝材料隨著時(shí)間老化導(dǎo)致色溫漂移; 不容易實(shí)現(xiàn)低色溫 (一般照明用的白光都略微偏暖色, 色溫較低 ),顯色指數(shù)一般也不高(7080); 功率型白光還存在空間色度不均勻Page 994、 ZnSe產(chǎn)生白光的技術(shù)，在ZnSe單晶基板上形成CdZnSe薄膜，通電后使薄膜發(fā)出藍(lán)光，同時(shí)部分藍(lán)光照射到

4、基板上而發(fā)出黃光，最后藍(lán)光黃光混合后形成白光。Page 1010白光白光LED芯片技術(shù)及關(guān)鍵材料芯片技術(shù)及關(guān)鍵材料主要分為兩種發(fā)光方式 ： 第一種是日亞化以460nm 波長(zhǎng)的 InGaN 藍(lán)光晶粒上涂一層 YAG 熒光物質(zhì)，利用藍(lán)光 LED 照射此熒光物質(zhì)以與藍(lán)光互補(bǔ)的555nm 波長(zhǎng)的黃光，再利用透鏡原理將互補(bǔ)的黃光，藍(lán)光予以混合，得出所需的白光。 第二種是日本住友電工開(kāi)發(fā)的以 ZnSe 為材料的白光 LED，但發(fā)光效率較差。Page 1111白光白光LED芯片技術(shù)及關(guān)鍵材料芯片技術(shù)及關(guān)鍵材料LED襯底材料的選擇通常有以下要求：襯底材料的選擇通常有以下要求： 結(jié)構(gòu)特性好，外延材料與襯底的晶格

5、結(jié)構(gòu)相同或相近； 界面特性好，有利于外延材料的生長(zhǎng)，并且粘附性強(qiáng)； 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； 熱學(xué)性能好，包括熱導(dǎo)性好和熱失配度??； 光學(xué)性能好，對(duì)光的吸收少，有利于提高器件的放光效率； 有良好的導(dǎo)電性，能制成上下層結(jié)構(gòu)； 機(jī)械性能好，器件容易加工 尺寸大通常要求直徑不小于2in（1in=0.0245m); 價(jià)格低廉Page 1212LED襯底材料的種類(lèi)1）藍(lán)寶石（）藍(lán)寶石（Al2O3) 通常，GaN基材料和器件的外延層主要生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上。藍(lán)寶石襯底有許多的優(yōu)點(diǎn)：首先， 藍(lán)寶石襯底的生產(chǎn)技術(shù)成熟、器件質(zhì)量較好；其次，藍(lán)寶石的穩(wěn)定性很好，能夠運(yùn)用在高溫生長(zhǎng)過(guò)

6、程中；最后，藍(lán)寶石的機(jī)械強(qiáng)度高，易于處理和清洗。因此，大多 數(shù)工藝一般都以藍(lán)寶石作為襯底。 使用藍(lán)寶石作為襯底也存在一些問(wèn)題，例如晶格失配和熱應(yīng)力失配，這會(huì)在外延層中產(chǎn)生大量缺 陷，同時(shí)給后續(xù)的器件加工工藝造成困難。 Page 1313LED襯底材料的種類(lèi)2）碳化硅（）碳化硅（SiC) 該襯底材料有很多突出的優(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，但是不足在價(jià)格較高，機(jī)械加工性能差、警惕質(zhì)量難以與藍(lán)寶石和硅媲美。 碳化硅襯底的導(dǎo)熱性能（碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)490W/(mK)）要比藍(lán)寶石襯底高出10倍 以上。藍(lán)寶石本身是熱的不良導(dǎo)體，并且在制作器件時(shí)底部需要使用銀膠固晶，這種銀

7、膠的傳熱性能也很差。使用碳化硅襯底的芯片電極為L(zhǎng)型，兩個(gè)電極分布在器 件的表面和底部，所產(chǎn)生的熱量可以通過(guò)電極直接導(dǎo)出；同時(shí)這種襯底不需要電流擴(kuò)散層，因此光不會(huì)被電流擴(kuò)散層的材料吸收，這樣又提高了出光效率 Page 1414LED襯底材料的種類(lèi)3）硅（）硅（Si） 硅襯底的芯片電極可采用兩種接觸方式，分別是L接觸（Laterial-contact , 水平接觸）和V接觸（Vertical-contact，垂直接觸），通過(guò)這兩種接觸方式，LED芯片內(nèi)部的電流可以是橫 向流動(dòng)的，也可以是縱向流動(dòng)的。由于電流可以縱向流動(dòng)，因此增大了LED的發(fā)光面積，從而提高了LED的出光效率。因?yàn)楣枋菬岬牧紝?dǎo)體，所

8、以器件的導(dǎo)熱性 能可以明顯改善，從而延長(zhǎng)了器件的壽命。Page 1515LED襯底材料的種類(lèi)4)氮化鎵（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)格搞，使其實(shí)現(xiàn)商品化受到限制。5）砷化鎵（）砷化鎵（GaAs) 它的優(yōu)點(diǎn)是晶格常數(shù)比較匹配，可以制成無(wú)位錯(cuò)單晶；缺點(diǎn)是其為吸光材料，影響LED的發(fā)光效率。Page 1616LED襯底材料的種類(lèi)6）氧化鋅（）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

9、GaN外延的候選襯底。但是，ZnO的致命弱點(diǎn)是GaN外延生長(zhǎng)的溫度和氣氛中容易放生分解和被腐蝕，所以目前不能用來(lái)制造光電子器件。 在上述LED芯片外延片襯底材料中，雖然用于GaN生長(zhǎng)的襯底材料較多，但是目前實(shí)現(xiàn)商品化得僅限于Al2O3和SiC兩種，其他幾種襯底材料有待于繼續(xù)研發(fā)。Page 1717提高量子效率的措施提高量子效率的措施1.高折射率 界面會(huì)發(fā)生全反射 多次全反射 光子被吸收 措施： （1）是減少光在芯片內(nèi)部的反射次數(shù),縮短光在LED內(nèi)部的傳播路徑。 （2）是減少芯片電極等對(duì)光的吸收2. droop效應(yīng) LED注入電流 增加 發(fā)光效率降低原因：1是俄歇復(fù)合機(jī)制。2是極化效應(yīng)引起的載流

10、子泄漏機(jī)制 措施：注入LED電流均勻分布Page 1818提高量子效率的措施提高量子效率的措施3.采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu) 異質(zhì)PN結(jié)帶隙較高較高的折射率之差，勢(shì)壘差較高光強(qiáng)且半高寬較窄。Page 1919發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展趨勢(shì) 目前，LED 在照明市場(chǎng)的前景更備受全球矚目。大功率白光 LED 目前實(shí)驗(yàn)室里已經(jīng)達(dá)到157lm/w 的水平，接近100lm/w 的大功率白光 LED 已進(jìn)入商業(yè)化。大功率、高光效、低成本三大瓶頸正在被逐步突破。 2006 年 6 月日亞化學(xué)發(fā)布 100Lm/W 光效的白光 LED ；美國(guó) Cree 公司開(kāi)發(fā)出發(fā)光效率達(dá)到 131Lm/W 的白光LED；韓國(guó)首爾半導(dǎo)體推出光效為 100lm/W 的單芯片白光 LED-P4；CaoGroup公司的 DynastyLED 典