大功率LED芯片材料研究進(jìn)展分析

大功率LED芯片材料研究進(jìn)展分析小組成員：余楠儀呂品LED簡(jiǎn)介大功率LED芯片簡(jiǎn)介大功率LED芯片（GaN）研究情況研究目標(biāo)和結(jié)語(yǔ)什么是LED?什么是LED

這兩種半導(dǎo)體連接起來(lái)的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)“P-N結(jié)”。當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長(zhǎng)（光的顏色），是由形成P-N結(jié)材料決定的。LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附著在一個(gè)支架上，是負(fù)極，另一端連接電源的正極，整個(gè)晶片被環(huán)氧樹(shù)脂封裝起來(lái)。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。LED是英文單詞LightEmittingDiode的縮寫(xiě)，中文意思是發(fā)光二極管，是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見(jiàn)光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。

發(fā)光二極管的基本結(jié)構(gòu)球透鏡環(huán)氧樹(shù)脂P層有源層N層發(fā)光區(qū)(a)正面發(fā)光型微透鏡P型限制層有源層波導(dǎo)層N型限制層(b)側(cè)面發(fā)光型LED發(fā)展史1965年，全球第一款商用化發(fā)光二極管誕生，它是用鍺材料作成的可發(fā)出紅外光的LED。1968年，LED的研發(fā)取得了突破性進(jìn)展，利用氮摻雜工藝使鎵砷磷器件的效率達(dá)到了1流明/瓦，并且能夠發(fā)出紅光、橙光和黃色光。到了1971年，業(yè)界又推出了具有相同效率的磷化鎵綠色芯片LED。80年代早期的重大技術(shù)突破是開(kāi)發(fā)出了鋁鎵砷

LED，它能以每瓦10流明的發(fā)光效率發(fā)紅光1994年，中村修二在氮化鎵基片上研制出了第一只藍(lán)色發(fā)光二級(jí)管從20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始，許多廣告、體育和娛樂(lè)場(chǎng)所開(kāi)始應(yīng)用LED大屏幕顯示?，F(xiàn)在白光LED的發(fā)光效率已經(jīng)達(dá)到130lm/W，實(shí)驗(yàn)室研究成果甚至可達(dá)到300lm/W注：流明即光通量的單位。發(fā)光強(qiáng)度為1坎德拉(cd)的點(diǎn)光源，在單位立體角（1球面度）內(nèi)發(fā)出的光通量為“1流明”，英文縮寫(xiě)(lm)。大功率LED

大功率LED是指擁有大額定工作電流的發(fā)光二極管。普通LED功率一般為0.05W、工作電流為20mA，而大功率LED可以達(dá)到1W、2W、甚至數(shù)十瓦，工作電流可以是幾十毫安到幾百毫安不等。目前大功率白光LED的轉(zhuǎn)換效率還較低，光通量較小，成本較高，因此決定了大功率白光LED短期內(nèi)的應(yīng)用主要是一些特殊領(lǐng)域的照明，中長(zhǎng)期目標(biāo)才是通用照明。制造大功率LED芯片的方法

大尺寸法。通過(guò)增大單體LED的有效發(fā)光面積和尺寸，促使流經(jīng)TCL層的電流均勻分布，以達(dá)到預(yù)期的光通量。但是，簡(jiǎn)單地增大發(fā)光面積無(wú)法解決散熱問(wèn)題和出光問(wèn)題，并不能達(dá)到預(yù)期的光通量和實(shí)際應(yīng)用效果。

矽底板倒裝法。首先制備出適合共晶焊接的大尺寸LED芯片，同時(shí)制備出相應(yīng)尺寸的矽底板，并在矽底板上制作出供共晶焊接用的金導(dǎo)電層及引出導(dǎo)電層（超聲金絲球焊點(diǎn)），再利用共晶焊接設(shè)備將大尺寸LED芯片與矽底板焊接在一起。

陶瓷底板倒裝法。先利用LED芯片通用設(shè)備制備出具有適合共晶焊接電極結(jié)構(gòu)的大出光面積的LED芯片和相應(yīng)的陶瓷底板，并在陶瓷底板上制作出共晶焊接導(dǎo)電層及引出導(dǎo)電層，然后利用共晶焊接設(shè)備將大尺寸LED芯片與陶瓷底板焊接在一起。

藍(lán)寶石襯底過(guò)渡法。按照傳統(tǒng)的InGaN（氮化鎵銦）芯片制造方法在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)出PN結(jié)后，將藍(lán)寶石襯底切除，再連接上傳統(tǒng)的四元材料，制造出上下電極結(jié)構(gòu)的大尺寸藍(lán)光LED芯片。

AlGaInN碳化矽（SiC）背面出光法。美國(guó)Cree公司是全球唯一采用SiC襯底制造AlGaInN超高亮度LED的廠家，幾年來(lái)其生產(chǎn)的AlGaInN/SiCa芯片結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，亮度不斷提高。由于P型和N型電極分別位于芯片的底部和頂部，采用單引線鍵合，相容性較好，使用方便，因而成為AlGaInNLED發(fā)展的另一主流產(chǎn)品。制作大功率LED材料目前面臨的問(wèn)題

芯片在大電流注入或升溫過(guò)程中會(huì)有出現(xiàn)內(nèi)量子效率（電子轉(zhuǎn)化為光子的效率）急劇下降。內(nèi)量子效率則取決于LED的內(nèi)部多量子阱微觀結(jié)構(gòu)及晶體材料特性和質(zhì)量,內(nèi)量子效率的研究是目前LED發(fā)光效率研究的切實(shí)而有效的突破點(diǎn)。

在各種工藝條件下，材料的損傷變形、應(yīng)力和缺陷的演變規(guī)律以及對(duì)器件性能的影響等缺乏深入和系統(tǒng)的研究，使得對(duì)大功率LED芯片設(shè)計(jì)和制造工藝中材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)控制等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐。

目前以GaN基為代表的解決大功率LED芯片上訴問(wèn)題的研究情況

LED設(shè)計(jì)領(lǐng)域GaN基三種高效率LED芯片的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，分別是基于雙光子晶體的LED芯片，基于微球模型的LED芯片，基于激光剝離襯底的大功率LED芯片。研究者通過(guò)涉及到光子晶體理論，蒙特卡羅理論及激光剝離理論，并在此基礎(chǔ)上提出新的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，給出仿真分析結(jié)果。結(jié)果證實(shí)：雙光子晶體可以提供較完善的反射層，出射層。微球LED

可以利用大尺寸表面結(jié)構(gòu)來(lái)大大提高LED芯片的外量子效率?；诩す鈩冸x襯底的大功率LED可以實(shí)現(xiàn)較好散熱效果和功率。

溝槽結(jié)構(gòu)LED芯片，研究者研究了同合金選擇及熱處理工藝對(duì)p型

GaN歐姆接觸的比接觸電阻的影響，發(fā)現(xiàn)500℃退火處理可有效降低比接觸電阻率。對(duì)GaN外延層的干法刻蝕進(jìn)行了較為全面的工藝實(shí)驗(yàn)，確定了適于新型溝槽結(jié)構(gòu)LED芯片制備的刻蝕工藝參數(shù)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)LED芯片制備流程制得新結(jié)構(gòu)的LED芯片并對(duì)其進(jìn)行光學(xué)電學(xué)特性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該種結(jié)構(gòu)的LED芯片較之普通結(jié)構(gòu)LED芯片在光功率隨注入電流增加而飽和的特性上有明顯優(yōu)勢(shì)。

采用藍(lán)寶石襯底上形成的周期性分布的半球形圖形打破GaN材料與藍(lán)寶石襯底之間的全反射界面，采用ITO（IndiumTinOxides銦錫金屬氧化物）透明導(dǎo)電薄膜上形成的周期性分布和隨機(jī)分布的圓形和六邊形圖形打破p-GaN與ITO透明導(dǎo)電層以及ITO透明導(dǎo)電層與空氣之間的全反射界面，從而顯著的提升

LED芯片光功率。

但是，怎樣正確認(rèn)識(shí)GaN基在大功率LED芯片中起到的作用？GaN基LED芯片從上世紀(jì)90年代發(fā)展至今，許多的理論和技術(shù)仍處于摸索發(fā)展中，盡管前面講述有部分研究在LED芯片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中取得了一些研究成果，但GaN基大功率LED芯片仍有諸多問(wèn)題亟待解決。

在LED芯片的光學(xué)建模研究上，當(dāng)芯片中微結(jié)構(gòu)尺寸與波長(zhǎng)處于相同量級(jí)時(shí)，蒙特卡羅光線追蹤模型就無(wú)法準(zhǔn)確仿真該芯片的出光現(xiàn)象，還需建立有效的全波電磁場(chǎng)有限元模型，而電磁場(chǎng)模型中需要解決偏微分方程的收斂性及求解效率等問(wèn)題。

監(jiān)管有研究表明新型溝槽結(jié)構(gòu)LED芯片在某些特性上較之普通結(jié)構(gòu)LED芯片有所改善，但是跟計(jì)算結(jié)果仍有差距，應(yīng)進(jìn)一步研究該差異產(chǎn)生的原因，并嘗試將該溝槽結(jié)構(gòu)應(yīng)用于超大尺寸LED芯片的制備。要真正實(shí)現(xiàn)大功率高亮度的LED，不能將芯片的設(shè)計(jì)和制備孤立出來(lái)進(jìn)行研究，而應(yīng)該對(duì)LED外延、芯片、封裝和應(yīng)用進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，才能更有效的提高整體LED器件的性能。研究目標(biāo)

研究表明LED發(fā)展的目前的目標(biāo)主要集中在兩個(gè)方面：一是高功率，通過(guò)增加單個(gè)芯片的尺寸面積達(dá)到，或是組合使用大功率單個(gè)LED芯片。二是高效率，在內(nèi)部量子效率無(wú)法提高的情況下，盡可能提高外量子效率，是產(chǎn)生的光子有效地輻射出來(lái)。所以也就是將大功率LED芯片材料的改進(jìn)將是發(fā)展的主要方向。結(jié)語(yǔ)

半導(dǎo)體照明被認(rèn)為是