LED照明的芯結(jié)合方案

1、* *ledled照明市場(chǎng)一角照明市場(chǎng)一角( (掠影掠影) )* *芯片可靠性對(duì)制備技術(shù)的要求芯片可靠性對(duì)制備技術(shù)的要求- -結(jié)溫結(jié)溫* *提高白光功率芯片光效的方法提高白光功率芯片光效的方法（專利保護(hù)的電極結(jié)構(gòu)，減小電流擁堵（專利保護(hù)的電極結(jié)構(gòu)，減小電流擁堵 引入引入psspss圖形化襯底，提高光的提取效率圖形化襯底，提高光的提取效率 專利保護(hù)的背反射鏡的優(yōu)化，提高專利保護(hù)的背反射鏡的優(yōu)化，提高 dbr/odr/dbr/odr/垂直結(jié)構(gòu)垂直結(jié)構(gòu)* *提高芯粉結(jié)合技術(shù)，點(diǎn)亮白光市場(chǎng)提高芯粉結(jié)合技術(shù)，點(diǎn)亮白光市場(chǎng)（激發(fā)譜、能量傳遞機(jī)制、配色方案、熒光粉的光衰）（激發(fā)譜、能量傳遞機(jī)制、配色方案、熒

2、光粉的光衰）提綱半導(dǎo)體照明的興起n由于半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)潛藏著巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)由于半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)潛藏著巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，許多國(guó)家和地區(qū)紛紛制定了發(fā)展計(jì)劃效益，許多國(guó)家和地區(qū)紛紛制定了發(fā)展計(jì)劃n美國(guó)“國(guó)家半導(dǎo)體照明研究計(jì)劃”n日本“21世紀(jì)光計(jì)劃”n韓國(guó)“gan半導(dǎo)體開發(fā)計(jì)劃”n歐盟“彩虹計(jì)劃”n我國(guó)“國(guó)家半導(dǎo)體照明工程”n中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)“次世代照明光源開發(fā)計(jì)劃” 各國(guó)及地區(qū)半導(dǎo)體照明研發(fā)計(jì)劃表各國(guó)及地區(qū)半導(dǎo)體照明研發(fā)計(jì)劃表 （單位：（單位：lm/w） 國(guó)家/地區(qū) 2002年 2005年 2007年 2008年 2010年 2012年 2020年 美國(guó) 2070150200日本 150歐盟 中國(guó)臺(tái)

3、灣地區(qū) 40韓國(guó) 80中國(guó) 100150-200歐盟 n2003年以來，大功率led的應(yīng)用逐步推開，價(jià)格也隨之大幅降低。以功率為1w的白光led來對(duì)比，2003年單顆價(jià)格為5-6美元，到2007年則降到2-3美元，而光效則由30lm/w提升到2007年的70-80lm/w。但對(duì)比2007年到現(xiàn)在的1w白光led單顆價(jià)格，目前仍然維持在2-3美元，不同的是光效提升到了80-90lm/w。n目前有能力大批量供應(yīng)白光led功率芯片及l(fā)ed器件廠商仍局限在lumileds、cree、osram、nichia以及臺(tái)灣的晶電等為數(shù)不多的廠商，伴隨著功率白光led應(yīng)用的高速增長(zhǎng)及其光效的不斷提升，預(yù)計(jì)其單顆

4、led價(jià)格不會(huì)有過大的降幅。ledled照明市場(chǎng)一角照明市場(chǎng)一角( (掠影掠影) )全球全球ledled市場(chǎng)規(guī)模與增長(zhǎng)率市場(chǎng)規(guī)模與增長(zhǎng)率 單位：百萬(wàn)美元單位：百萬(wàn)美元 020004000600080001000012000140001600020012002200320042005200620072008200920102011-10%-5%0%5%10%15%20%25%30%規(guī)模規(guī)模增長(zhǎng)率增長(zhǎng)率手機(jī)背光手機(jī)背光帶動(dòng)增長(zhǎng)帶動(dòng)增長(zhǎng)手機(jī)背光手機(jī)背光增長(zhǎng)放緩增長(zhǎng)放緩新應(yīng)用推動(dòng)新應(yīng)用推動(dòng)新一波增長(zhǎng)新一波增長(zhǎng)n在在20082008年，年，nbnb背光源、汽車照明市場(chǎng)、背光源、汽車照明市場(chǎng)、ledled

5、路燈等新應(yīng)路燈等新應(yīng)用將持續(xù)帶動(dòng)用將持續(xù)帶動(dòng)ledled產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)。預(yù)期在產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)。預(yù)期在20102010年以后，將由年以后，將由半導(dǎo)體照明應(yīng)用為半導(dǎo)體照明應(yīng)用為ledled帶來另一波成長(zhǎng)的契機(jī)。帶來另一波成長(zhǎng)的契機(jī)。 全球白熾燈禁用時(shí)間表全球白熾燈禁用時(shí)間表國(guó)家和地區(qū)預(yù)計(jì)禁用時(shí)間情況介紹預(yù)估替代形式澳大利亞2009年停止生產(chǎn)，最晚在2010年逐步禁止使用傳統(tǒng)的白熾燈。澳洲于2007年2月20日宣布一項(xiàng)計(jì)劃，澳洲在2009年開始停止生產(chǎn)這類耗電燈具。最晚在2010年開始逐步禁止使用傳統(tǒng)的白熾燈，將制定相關(guān)鼓勵(lì)政策技術(shù)規(guī)定。燈泡狀熒光燈、省電日光燈（cfl）、led照明燈具、t5熒光燈管、oled

6、照明等臺(tái)灣規(guī)劃2010年開始執(zhí)行白熾燈禁產(chǎn)政策，2012年全面禁產(chǎn)。經(jīng)濟(jì)部能源局在行政院產(chǎn)業(yè)科技策略會(huì)議中宣布，將在2009年第一季全面淘汰白熾燈泡，改用led照明，預(yù)計(jì)2010年起陸續(xù)停產(chǎn)白熾燈，2012年底將全面停止使用白熾燈泡。日本到2012年止，停止制造并銷售高能耗白熾燈。政府決定到2012年為止，停止制造并銷售高能耗白熾燈泡，東芝照明技術(shù)決定，在2010年之前停產(chǎn)普通白熾燈泡，關(guān)閉全部生產(chǎn)線。今后將以燈泡狀熒光燈和led照明燈節(jié)能產(chǎn)品取代白熾燈。美國(guó)2012年1月到2014年1月。大多數(shù)白熾燈泡將于2014年在美國(guó)市場(chǎng)上禁止銷售。2007能源獨(dú)立和安全法案（energy indepe

7、ndence and security acth.r.6).該法案規(guī)定，從2012年到2014年間，美國(guó)要逐步淘汰40w、60w、75w及100w白熾燈泡，以節(jié)能燈泡取代替換。中國(guó)發(fā)改委預(yù)計(jì)10年內(nèi)禁用（禁售）白熾燈中國(guó)的國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)已與聯(lián)合國(guó)開發(fā)計(jì)劃書、全球環(huán)境基金合作共同開展“中國(guó)逐步淘汰白熾燈、加快推廣節(jié)能燈專案，支持研究編制中國(guó)逐步淘汰白熾燈、加快推廣節(jié)能燈行動(dòng)計(jì)劃。目前，青島市發(fā)改委于日前下發(fā)通知，要求各區(qū)、市政府、各部門，市直各單位各大賓館飯店、商場(chǎng)、寫字樓、學(xué)校、醫(yī)院、大型工廠企業(yè)等大力推廣使用節(jié)能燈，到2010年以前停用白熾燈。歐盟各國(guó) （英國(guó)） 歐洲聯(lián)盟9月起禁止銷售1

8、00瓦傳統(tǒng)燈泡，2012起禁用所有瓦數(shù)的傳統(tǒng)燈泡。歐盟零售商2008年開始停賣150瓦燈泡，2009年將停賣60瓦燈泡。如：英國(guó)零售賣場(chǎng)2009年一開張，就停止100瓦燈泡補(bǔ)貨，自愿停售期到2012年結(jié)束，之后政府會(huì)頒罰則，改用省電日光燈（cfl）或led照明燈具。南韓第4次能源利用合理化基本計(jì)劃決定，將階段性地提高光能源僅占5%，而熱散發(fā)量高達(dá)95%的白熾燈的最低能耗效率標(biāo)準(zhǔn)，并在2013年底前予以淘汰。近2-3年半導(dǎo)體照明的重點(diǎn)n2007年led照明產(chǎn)值達(dá)48億元，2010年預(yù)計(jì)98億元。2009年led照明滲透率可望有1.5%，比2008年倍增，總產(chǎn)值預(yù)計(jì)可達(dá)13億美元。n路燈路燈n20

9、08年中國(guó)路燈市場(chǎng)規(guī)模大約1,500萬(wàn)盞左右，其中l(wèi)ed路燈的裝置數(shù)量大約在50萬(wàn)盞。2009年中國(guó)led路燈市場(chǎng)的裝置數(shù)量預(yù)計(jì)將高達(dá)250萬(wàn)盞左右。 n廣東省2年內(nèi)在10個(gè)城市實(shí)現(xiàn)“千里十萬(wàn)工程”n瓦房店市7萬(wàn)盞led路燈，年節(jié)約電費(fèi)500多萬(wàn)元n濰坊濰坊 2萬(wàn)盞led路燈n天津工業(yè)大學(xué)實(shí)現(xiàn)5000盞led路燈n室內(nèi)照明室內(nèi)照明來源ledinsideled路燈照明公司主走廊采用公司主走廊采用ledled照明照明 來源來源: :中國(guó)半導(dǎo)體照明網(wǎng)譯中國(guó)半導(dǎo)體照明網(wǎng)譯3個(gè)個(gè)led組成的組成的3.6w的功率即的功率即相當(dāng)于相當(dāng)于50 w鹵鹵素?zé)羲健Ｋ責(zé)羲?。壽命為壽命?萬(wàn)小時(shí)萬(wàn)小時(shí)來源來源: :

10、中國(guó)半導(dǎo)體照明網(wǎng)譯中國(guó)半導(dǎo)體照明網(wǎng)譯ledled情調(diào)燈情調(diào)燈2顆紅色、顆紅色、1顆顆藍(lán)色及藍(lán)色及1顆綠顆綠色色led所組成，可變所組成，可變化出化出1,677種種不同顏色。不同顏色。芯片可靠性對(duì)制備技術(shù)的要求芯片可靠性對(duì)制備技術(shù)的要求*結(jié)溫的測(cè)試結(jié)溫的測(cè)試采用動(dòng)態(tài)電學(xué)參數(shù)法結(jié)溫的測(cè)試采用動(dòng)態(tài)電學(xué)參數(shù)法, , 即利用小電流下即利用小電流下ledled的正向壓降與溫度成線性關(guān)系的正向壓降與溫度成線性關(guān)系: :v vf f= =nkt/qnkt/q* *ln(iln(if f/i/io o) + ) + r rs s* *i if f式中式中: : v vf f為正向電壓，為正向電壓，i if f為

11、正向電流為正向電流; ; i io o為反向飽和電流，為反向飽和電流，q q為電子電荷為電子電荷; ; k k是玻爾茲曼常數(shù)，是玻爾茲曼常數(shù)，r rs s是是ledled內(nèi)阻內(nèi)阻; ; n n是表征是表征p/np/n結(jié)完美性的一個(gè)參量結(jié)完美性的一個(gè)參量, , 在在1-21-2之之間間; ;由由t tj j= =r rj j* *k k* *i i* *v+tv+t環(huán)境環(huán)境 可以得到結(jié)溫可以得到結(jié)溫式中式中: : t tj j 為結(jié)溫為結(jié)溫, , r rj j為熱阻為熱阻, k, k為光電轉(zhuǎn)換效率為光電轉(zhuǎn)換效率, i, v , i, v 為電流和電壓為電流和電壓 室溫下的結(jié)溫和電流的關(guān)系芯片可靠

12、性對(duì)制備技術(shù)的要求芯片可靠性對(duì)制備技術(shù)的要求*激活能的計(jì)算p實(shí)驗(yàn)條件：實(shí)驗(yàn)條件：1.1.電流：電流： 30ma30ma2.2.溫度：溫度： 室溫，室溫， 5555，80803.3.芯片大?。盒酒笮。?12mil12mil* *12mil12mil4.4.芯片波長(zhǎng)：芯片波長(zhǎng)： 460nm460nm芯片可靠性對(duì)制備技術(shù)的要求芯片可靠性對(duì)制備技術(shù)的要求由加速老化的阿雷尼烏斯模型：由加速老化的阿雷尼烏斯模型：af=(ifac/ifop)af=(ifac/ifop)2 2* *exp(eaexp(ea/kb /kb * *(1/tjop-1/tjac)(1/tjop-1/tjac)） ( (* *)

13、)其中其中afaf為加速因子，為加速因子，ifacifac, , ifopifop為加速和正常工作時(shí)的電為加速和正常工作時(shí)的電流，流， eaea為活化能，為活化能， kb kb 為玻爾茲曼常數(shù)，為玻爾茲曼常數(shù)， tjoptjop tjactjac 為為正常工作和加速時(shí)的結(jié)溫。正常工作和加速時(shí)的結(jié)溫。( (* *) )可以變化為：可以變化為：ln(afln(af)=ea/kb)=ea/kb* * (1/tjop-1/tjac)+2ln(ifac/ifop) (1/tjop-1/tjac)+2ln(ifac/ifop)將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入可以得到：將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入可以得到： ea=0.77evea=0.7

14、7ev*激活能的計(jì)算芯片可靠性對(duì)制備技術(shù)的要求芯片可靠性對(duì)制備技術(shù)的要求* *專利保護(hù)的樹枝電極結(jié)構(gòu)專利保護(hù)的樹枝電極結(jié)構(gòu)- -減小電流擁堵減小電流擁堵- -使得注入電流擴(kuò)展均勻使得注入電流擴(kuò)展均勻- -正負(fù)極的樹枝交錯(cuò)排列，電流密度分布均勻正負(fù)極的樹枝交錯(cuò)排列，電流密度分布均勻- -正向電壓有效降低，提高了出光效率正向電壓有效降低，提高了出光效率提高白光功率芯片光效的方法提高白光功率芯片光效的方法*專利保護(hù)的樹枝電極結(jié)構(gòu)專利保護(hù)的樹枝電極結(jié)構(gòu)提高白光功率芯片光效的方法提高白光功率芯片光效的方法大功率芯片圖形大功率芯片圖形 提高白光功率芯片光效的方法提高白光功率芯片光效的方法從圖中可以看出，其

15、樹枝部分是呈現(xiàn)出粗細(xì)變化的，寬大部分為開始的大電流提供了更多的面積來擴(kuò)散電流，避免造成電流擁堵。當(dāng)電流流向樹枝狀窄端時(shí)，電流不斷的由側(cè)枝擴(kuò)散出去，所以傳輸下去的電流越來越少，因此我們的樹枝狀電極相應(yīng)的也做的越來越窄。因?yàn)殡姌O引線采用錐形工藝，導(dǎo)線的電阻增加電流減小。因此與點(diǎn)狀電極相比，沿著電極方向，各處由電極流入導(dǎo)電層的電流更均勻。這再一次促進(jìn)了沿著p型和n型電極引線方向各處電流的均勻擴(kuò)散。另外在電極的整體設(shè)計(jì)上，理論上已經(jīng)證明了正負(fù)極距離較短的設(shè)計(jì)有利于電流能夠更加均勻的擴(kuò)展，而我們的大功率芯片圖形結(jié)構(gòu)中正負(fù)極的樹枝交錯(cuò)排列，這使得正負(fù)極距離得到有效的減小，也就使得電流能夠得以更加均勻的分布

16、。再加上其電極呈樹枝狀分布，正向電壓可達(dá)3.4v以下。這項(xiàng)成果在我們已獲得的美國(guó)專利高功率高亮度發(fā)光二極管及其制法（授權(quán)號(hào)：usp6，650，018）中有詳細(xì)敘述。 提高白光芯片光效的方法提高白光芯片光效的方法* *專利保護(hù)的背反射鏡的優(yōu)化，提高光效專利保護(hù)的背反射鏡的優(yōu)化，提高光效-背鍍反射鏡，提高出光效率60%-100%n通過制作布拉格反射鏡提高出光效率，即在芯片的背面或者窗口處蒸鍍反射金屬，使有源層向上下兩個(gè)方向發(fā)出的光都能夠得到利用，提高出光效率50%-100%n氮化鎵基發(fā)光二極管包括透明襯底和用于透射led產(chǎn)生光的窗口。理論上來講，在有源層發(fā)出的光等幾率地分別從窗口和藍(lán)寶石襯底方向出

17、射，如果利用的是通過窗口發(fā)出的光，那么從有源層發(fā)射向透明襯底的光大部分會(huì)損失；同樣地，如果利用的是通過襯底發(fā)出的光，那么從有源層發(fā)射向窗口的光大部分會(huì)損失。所以我們需要一個(gè)分布布拉格反射鏡，如果利用由窗口發(fā)出的光，反射鏡直接形成于襯底背面；而如果利用透過襯底的光，反射鏡直接形成于窗口的發(fā)光部分。即分布布拉格反射鏡可以形成于襯底背面或窗口表面，光提取率可增加50-100%。我們所說的分布布拉格反射鏡也可以采用反射率比較好的銀或鋁等金屬，示意圖見圖7。另外，這些反射層也可以使用那些可以提供更多散熱優(yōu)點(diǎn)的材料，以提高其散熱的能力。這項(xiàng)技術(shù)在我們已獲得的美國(guó)專利透明襯底發(fā)光二極管（授權(quán)號(hào)：usp6，6

18、43，304）中有詳細(xì)敘述。n如圖7所示，其中包括：藍(lán)寶石襯底101；緩沖區(qū)102；gan替代的襯底層103；n型gan層104；活性區(qū)106；p型gan層107；窗口層108和109；n電極105；p接觸層110和111；分布布拉格反射鏡112和212。n 提高白光芯片光效的方法提高白光芯片光效的方法109108107106104103102101112109110111105109108107106104103102101212109110111105專利保護(hù)的背反射鏡的示意圖專利保護(hù)的背反射鏡的示意圖 提高白光芯片光效的方法提高白光芯片光效的方法分布布拉格反射鏡技術(shù)示意圖（美國(guó)授權(quán)號(hào)：分

19、布布拉格反射鏡技術(shù)示意圖（美國(guó)授權(quán)號(hào)：usp6usp6，643643，304304）如圖如圖9 9所示，其中包括：藍(lán)寶石襯底所示，其中包括：藍(lán)寶石襯底101101；緩沖區(qū)；緩沖區(qū)102102；gangan替代的襯底層替代的襯底層103103；n n型型gangan層層104104；活性區(qū)；活性區(qū)106106；p p型型gangan層層107107；窗口層；窗口層108108和和109109；n n電極電極105105；p p接觸層接觸層110110和和111111；分布布拉格反射鏡；分布布拉格反射鏡112112和和212212。提高芯粉結(jié)合技術(shù)提高芯粉結(jié)合技術(shù)點(diǎn)亮白光市場(chǎng)點(diǎn)亮白光市場(chǎng)* *激發(fā)

20、光譜激發(fā)光譜用于白用于白光光ledled的發(fā)光材料主要有四大類，的發(fā)光材料主要有四大類，而而yagyag發(fā)光材料以其轉(zhuǎn)化效率高成為發(fā)光材料以其轉(zhuǎn)化效率高成為制作白光制作白光ledled最成熟的主流技術(shù)路線。最成熟的主流技術(shù)路線。 石榴石結(jié)構(gòu)的稀土摻雜的復(fù)合氧化物石榴石結(jié)構(gòu)的稀土摻雜的復(fù)合氧化物發(fā)光材料，如發(fā)光材料，如yagyag和和tagtag； 硅酸鹽基質(zhì)發(fā)光材料：硅酸鹽基質(zhì)發(fā)光材料： 硅氧氮化合物發(fā)光材料；硅氧氮化合物發(fā)光材料； 硫化物或硫代氧酸鹽發(fā)光材料；硫化物或硫代氧酸鹽發(fā)光材料； （部分）激發(fā)熒光體使其發(fā)出黃光黃光ledled發(fā)出藍(lán)光 （透鏡）復(fù)合成白光 （部分）剩余藍(lán)光藍(lán)光1-pc

21、-led(b+y)藍(lán)光（藍(lán)光（460460）芯片）芯片yag:ceyag:ce熒光體（熒光體（560560，黃光）光譜，黃光）光譜 yag:ceyag:ce材料改進(jìn)材料改進(jìn)yag:ce層厚改變的發(fā)射光譜變化（藍(lán)光芯片）固體發(fā)光過程固體發(fā)光過程激激發(fā)發(fā)吸吸 收收 發(fā)發(fā) 光光能能量量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換能能量量輸輸運(yùn)運(yùn)能能量量傳傳遞遞*能量傳遞機(jī)制激發(fā)激發(fā)能量轉(zhuǎn)移能量轉(zhuǎn)移發(fā)射發(fā)射敏化劑敏化劑激活劑激活劑能量傳遞過程示意圖能量傳遞過程示意圖能量傳遞機(jī)制-能量傳遞，是激發(fā)態(tài)兩個(gè)中心之間的能量轉(zhuǎn)移過程。能量傳遞，是激發(fā)態(tài)兩個(gè)中心之間的能量轉(zhuǎn)移過程。-燈用發(fā)光材料的能量傳遞過程大體有兩種，共振能量燈用發(fā)光材料的能量傳遞過程大體有兩種，共振能量 傳遞和輻射再吸收過程。傳遞和輻射再吸收過程。-輻射再吸收過程是光子發(fā)射后再被吸收。輻射再吸收過程是光子發(fā)射后再被吸收。-激發(fā)能量從一個(gè)激發(fā)中心（能量的給與體）傳遞給另激發(fā)能量從一個(gè)激發(fā)中心（能量的給與體）傳遞給另一個(gè)臨近的未被激發(fā)的中心（能量接受體），主要通過一個(gè)臨近的未被激發(fā)的中心（能量接受體），主要通過量子機(jī)械共振實(shí)現(xiàn)。量子機(jī)械共振實(shí)現(xiàn)。-共振傳遞包括三種情況：多級(jí)相互作用、交換作用和共振傳遞