大功率白光LED技術(shù)及進展2011031030019譚燦

1、大功率白光LED技術(shù)及進展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實現(xiàn)手段實現(xiàn)手段四種方式： 1. 三基色合成2. UVLED + RGB 熒光粉3.藍光 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 實現(xiàn)控制圖優(yōu)點：效率高，色度好缺點：成

2、本高；三種顏色LED隨時間的衰減速度各不相同, 紅、綠、藍 LED 的衰減速率依次上升。Page 772、UVLED + RGB 熒光粉熒光粉 通過調(diào)整高亮度的近紫外 LED 紅、綠、藍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： 優(yōu)點：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： 1.高效的功率型紫外 LED 不容易制作; 2.激發(fā)低能量的紅綠藍光子導致效率較低 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、藍光藍光 LED + YAG 熒光粉熒光粉 以功率型 GaN 基藍光 LED 為泵

3、浦源 激發(fā)黃色無機熒光粉或黃色有機熒光染料,由激發(fā)獲得的黃光與原有藍光混合產(chǎn)生視覺效果的白光 優(yōu)點：白光 LED 發(fā)光管結(jié)構(gòu)簡單，制作工藝相對容易,而且 YAG 熒光粉已經(jīng)在熒光燈領域應用了許多年，工藝比較成熟。 缺點：藍光 LED 發(fā)光效率還不夠高短波長的藍光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生長波長的黃光存在能量損耗熒光粉與封裝材料隨著時間老化導致色溫漂移; 不容易實現(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)出藍光，同時部分藍光照射到

4、基板上而發(fā)出黃光，最后藍光黃光混合后形成白光。Page 1010白光白光LED芯片技術(shù)及關鍵材料芯片技術(shù)及關鍵材料主要分為兩種發(fā)光方式 ： 第一種是日亞化以460nm 波長的 InGaN 藍光晶粒上涂一層 YAG 熒光物質(zhì)，利用藍光 LED 照射此熒光物質(zhì)以與藍光互補的555nm 波長的黃光，再利用透鏡原理將互補的黃光，藍光予以混合，得出所需的白光。 第二種是日本住友電工開發(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)及關鍵材料芯片技術(shù)及關鍵材料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，并且粘附性強； 化學穩(wěn)定性好，在外延生長的溫度和氣氛中不容易分解和被腐蝕； 熱學性能好，包括熱導性好和熱失配度?。?光學性能好，對光的吸收少，有利于提高器件的放光效率； 有良好的導電性，能制成上下層結(jié)構(gòu)； 機械性能好，器件容易加工 尺寸大通常要求直徑不小于2in（1in=0.0245m); 價格低廉Page 1212LED襯底材料的種類1）藍寶石（）藍寶石（Al2O3) 通常，GaN基材料和器件的外延層主要生長在藍寶石襯底上。藍寶石襯底有許多的優(yōu)點：首先， 藍寶石襯底的生產(chǎn)技術(shù)成熟、器件質(zhì)量較好；其次，藍寶石的穩(wěn)定性很好，能夠運用在高溫生長過

6、程中；最后，藍寶石的機械強度高，易于處理和清洗。因此，大多 數(shù)工藝一般都以藍寶石作為襯底。 使用藍寶石作為襯底也存在一些問題，例如晶格失配和熱應力失配，這會在外延層中產(chǎn)生大量缺 陷，同時給后續(xù)的器件加工工藝造成困難。 Page 1313LED襯底材料的種類2）碳化硅（）碳化硅（SiC) 該襯底材料有很多突出的優(yōu)點，如化學穩(wěn)定性好，有優(yōu)異的導電性和導熱性，不吸收可見光等，但是不足在價格較高，機械加工性能差、警惕質(zhì)量難以與藍寶石和硅媲美。 碳化硅襯底的導熱性能（碳化硅的導熱系數(shù)490W/(mK)）要比藍寶石襯底高出10倍 以上。藍寶石本身是熱的不良導體，并且在制作器件時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型，兩個電極分布在器 件的表面和底部，所產(chǎn)生的熱量可以通過電極直接導出；同時這種襯底不需要電流擴散層，因此光不會被電流擴散層的材料吸收，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），通過這兩種接觸方式，LED芯片內(nèi)部的電流可以是橫 向流動的，也可以是縱向流動的。由于電流可以縱向流動，因此增大了LED的發(fā)光面積，從而提高了LED的出光效率。因為硅是熱的良導體，所

8、以器件的導熱性 能可以明顯改善，從而延長了器件的壽命。Page 1515LED襯底材料的種類4)氮化鎵（氮化鎵（GaN) GaN單晶材料是用于生長GaN外延層的最理想的襯底。用GaN作襯底生長GaN外延層，可以大大提高外延膜晶體質(zhì)量，降低位錯密度，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，且價格搞，使其實現(xiàn)商品化受到限制。5）砷化鎵（）砷化鎵（GaAs) 它的優(yōu)點是晶格常數(shù)比較匹配，可以制成無位錯單晶；缺點是其為吸光材料，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的致命弱點是GaN外延生長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生長的襯底材料較多，但是目前實現(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光的吸收2. droop效應 LED注入電流 增加 發(fā)光效率降低原因：1是俄歇復合機制。2是極化效應引起的載流

10、子泄漏機制 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，勢壘差較高光強且半高寬較窄。Page 1919發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢 目前，LED 在照明市場的前景更備受全球矚目。大功率白光 LED 目前實驗室里已經(jīng)達到157lm/w 的水平，接近100lm/w 的大功率白光 LED 已進入商業(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 月日亞化學發(fā)布 100Lm/W 光效的白光 LED ；美國 Cree 公司開發(fā)出發(fā)光效率達到 131Lm/W 的白光LED；韓國首爾半導體推出光效為 100lm/W 的單芯片白光 LED-P4；CaoGroup公司的 DynastyLED 典