LED光源的前世今生与后LED时代【整理稿】

1南京理工大学南京工业职业技术学院梁人杰于常州照明协会LED专委会成立大会201106282摘要：谈到LED光源涉及面太多，题目很大，短篇幅不可能全面。限于时间，这里谈谈LED光源“前世”，“今生”和“后LED光源时代”。一.LED光源的“前世”1.LED的出生上世纪50—60年代随着微电子技术的深入研究，人们开始了解某些半导体材料可以发光，1962年，通用电气公司的尼克•何伦亚克（NickHolonyakJr.）开发出一种实用的可见光的半导体发光二极管。LED（LightEmittingDiode）。由于初出茅庐，半导体发光材料的研究刚刚开始，LED只能辐射某些单色调的光谱，极不完善，没能覆盖人类可见光的全部光谱。当时只是作为一种小型指示灯或显示发光器件应用，可能因尚未呈现美好前景而不太显赫。2.LED容易被遗忘的特点但是，即使如此，当时的LED已具有某些“撒手锏”的特性，例如，LED促进了光纤通信的成就，但却似乎容易被人忽略，而成为无名英雄。LED对光纤通信的贡献，主要源于固态微电子器件先天的特性——可控性好，微秒，乃至纳秒级的响应特性，成就了宽带高速光纤通信的划时代贡献。在LED进入照明领域显赫成就的今天，在开发应用LED器件的今天，应该不能遗忘LED高速发光特性之前无古人的优势。今天，在开发LED产品时，您是不是充分发挥了LED的专长了呢？因为，当您需要发挥一种器件的优势时，必须要对他的特长充分了解。3.LED光源的简明原理完全纯净的半导体称为本征半导体。如果在本征半导体分别扩散不同的杂质，就会各自形成P型半导体和N型半导体。此时将会在P型半导体和N型半导体的结合面上形成PN结。这就构成了半导体二极管，最主要特性是单向导电性。LED发光二极管与普通的半导体二极管类似，主要也是由PN结芯片和电极等组成。但是，由于LED二极管所使用的材料较为特殊，扩散掺杂了有利于发光的杂质，LED就转变成为一种电致发光的半导体二极管器件。3LED光源原理可由图1简明表示。人类历史上第一个LED所使用的材料是砷化镓(GaAs),其正向PN结压降为1.424V，辐射红外光谱，另一种常用的LED是磷化镓(GaP)——辐射绿色光谱。下面举例给出几种LED的材料及其辐射的光谱。·砷化镓(GaAs)——辐射红色光谱（R），波长660纳米左右；·磷化镓(GaP)——辐射绿色光谱（G），波长570纳米左右；·氮化铟镓（InGaN）——辐射蓝光光谱（B），波长400纳米左右二.LED光源的“今生”1.LED开拓了人类固态照明的新纪元如果说报童出身的托马斯·阿尔瓦·爱迪生(ThomasAlvaEdison)发明白4炽灯，开拓了人类电气化照明的新纪元，使人类从此彻底告别了“火光照明”的古老时代。那么，今天，LED在照明领域的划时代贡献，就是开拓了人类固态照明和固态显示的新纪元，彻底摆脱了含“汞”气体光源对人类的危害，其历史意义无论如何评估，都不会过分。显然，LED已成为具有很大发展潜力的固态光源，LED所引领的固态照明SSL（SolidStateLighting）被称之为人类照明发展史的里程碑。2.白光LED的实现自从上世纪90年代发明蓝光LED后，LED实现了人类全可见光谱的辐射，LED从此异军突起，成为与传统光源竞争的强力对手。白光LED，即辐射日光色的LED，例如：·氮化铟镓（InGaN）蓝光芯片加YAG(钇铝石榴石）荧光粉的方法可以制成辐射白光LED，即：辐射日光色，这是二基色荧光粉转换白光LED。但效率不高。·紫外光LED激发三基色荧光粉，光色主要由荧光粉配比决定，容易获得白光，并且显色性好，光色或色温可调。·多芯片白光LED，采用RGB三色LED芯片，或更多色彩的LED芯片封装在一起，进行光色混合得到白光，可能得到很好的显色性。但是这种方法，面临对多色LED芯片的多元反馈控制，包括驱动电流控制和散热的复杂管理等等，系统将变得极为繁杂，成本奇高，实际应用困难重重。上面只是略给举例子而已。今天，LED技术的发展突飞猛进，特别是多元材料的LED芯片和白光LED芯片，性能日益先进，已非同日而语。图2为各种规格的辐射日光色的大功率白光LED器件示意图。53.LED照明的技术链LED照明的技术链可用下面的系列图形，既简明而又概括地描述。64.目前涉及LED照明技术链的有关问题——技术与动向本节将沿着LED照明的灯具技术链分别讨论有关主要技术问题与发展动向。71）国内外LED外延片-——衬底材料技术进展衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石。不同的衬底材料，需要不同的外延生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。衬底材料的选择主要基于以下九大特性：（1）结构特性：外延材料与衬底的晶体结构应相同或相近，晶格常数失配度小，结晶性能好，缺陷密度小；（2）界面特性：有利于外延材料在衬底上成核，而且黏附性强；（3）化学稳定性：在外延生长的温度和气氛中，衬底材料不容易分解和腐蚀；（4）热学性能;衬底材料的导热性好和热失配度小；（5）导电性；衬底材料能制成上下结构（6）光学性能;衬底材料制作的器件对发光元件辐射的光波吸收很小；（7）机械性能:衬底材料应容易加工，包括：减薄、抛光和切割等；（8）成本价格：衬底材料的价格低廉，市场竞争力强；（9）较大尺寸：对衬底材料的直径要求至少不小于2英吋，或更大更好。但是，选择衬底能够同时满足以上九个大性能是较为困难的。首先，表1对五种可用于氮化镓生长的衬底材料性能优劣进行了定性比较。五种可用于氮化镓生长的衬底材料性能优劣定性比较,表1衬底材料Al2O3SiCSiZnOGaN晶格失配度差中差良优界面特性良良良良优化学稳定性优优良差优导热性能差优优优优热失配度差中差差优导电性差优优优优光学性能优优差优优机械性能差差优良中价格中高低高高尺寸中中大中小下文分别讨论可用于LED的五种衬底材料。8·蓝宝石衬底目前用于氮化镓生长的最普遍的衬底是蓝宝石（Al2O3）市场占有率第一。蓝宝石衬底是源于日本公司的专利技术。主要优点是：化学稳定性好，不吸收可见光，价格适中，制造技术相对成熟；不足方面虽多，但均被基本克服，如：大的晶格失配被过渡层生长技术所克服；导电性差通过同侧P、N电极所克服；不易机械切割由激光划片技术所克服；大的热失配对外延层形成压应力因而不会龟裂。但是，较差的导热性在小电流工作下没有暴露出明显不足，而在功率型器件大电流工作下问题却十分突出。国内外蓝宝石衬底今后的研发方向是生长大直径的单晶，向4-6英吋方向发展，以及降低杂质污染和提高表面抛光质量。·碳化硅衬底目前，除蓝宝石（Al2O3）衬底外，可用于氮化镓生长的衬底就是碳化硅（SiC），市场占有率位居第二。碳化硅衬底是源于美国公司的专利技术。目前还没有第三种衬底用于氮化镓LED的商业化生产。碳化硅有许多突出优点，如：化学稳定性好，导电性能好，导热性能好，不吸收可见光等，但缺点也很突出，如：价格太高、晶体质量难以达到蓝宝石和硅那么好，机械加工性能比较差。另外，SiC衬底吸收380nm以下的紫外光，不适合用来研发380nm以下的紫外LED。但是，由于SiC衬底优异的的导电性能和导热性能，无需象蓝宝衬底上功率型氮化镓LED器件所采用的倒装焊接技术解决散热问题，而是采用上下电极结构，可以较好的解决功率型氮化镓LED器件的散热问题，故在半导体照明技术领域的发展中占有重要地位。目前，国际上能提供商用的高质量的SiC衬底的厂家只有美国CREE公司。国内外SiC衬底今后研发的任务是大幅度降低制造成本和提高晶体结晶质量。9·硅衬底c.cn-z,Y9@8x8h#?-t#l&?;F硅衬底（Si）是源于中国公司的专利技术。在硅衬底上制备发光二极管是照明领域里梦寐以求的理想材料，主要原因是一旦技术获得全面突破，外延生长成本和器件加工成本将大幅度下降。并且，Si片作为GaN材料的衬底有许多优点，如：晶体质量高，尺寸大，成本低，易加工，导电性、导热性和热稳定性良好等。然而，由于GaN外延层与Si衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配，以及在GaN的生长过程中容易形成非晶氮化硅，所以在Si衬底上很难得到无龟裂及器件级质量的GaN材料。而且，因硅衬底对光的吸收严重，致使硅衬底的LED出光效率低，从而成为了一种技术瓶颈目前的国际水平：德国Magdeburg大学研制的硅衬底蓝光LED，光功率最好水平是420mW。日本Nagoya研究所报道的硅衬底蓝光LED光输出功率为18mW。,中国的晶能光电是拥有硅衬底GaN外延生长和芯片加工技术的公司，开拓了以硅衬底生长外延片新的技术路线，打破了美国为代表蓝宝石衬底技术和日本为代表的碳化硅衬底技术的垄断。晶能光电基于硅基氮化镓技术研发的蓝光LED器件在350mA电流下获得3.2V，480mW，100lm的光效输出，氮化镓内量子效应已达到蓝宝石衬底生长的同比水平。晶能光电产品的成功开发表示硅基氮化镓LED技术必将为未来量产固态照明所需的高性能LED器件提供更有效的解决方案。·氮化镓衬底氮化镓（GaN）生长最理想的衬底自然应当是氮化镓单晶材料，可以大大提高外延膜的晶体质量，降低位错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，提高10器件工作电流密度。但是，制备氮化镓体单晶材料非常困难，截至目前为止尚未有行之有效之方法。有研究人员通过氢化物气相外延HVPE方法在其他衬底，如：蓝宝石Al2O3、碳化硅SiC、镓酸锂LiGaO2上生长氮化镓厚膜，然后通过剥离技术实现衬底和氮化镓厚膜分离，分离后的氮化镓厚膜可作为外延用的衬底。这样获得的氮化镓厚膜优点非常明显，与在Al2O3、SiC上外延的氮化镓薄膜的位错密度相比要明显降低；但价格昂贵，故氮化镓厚膜作为半导体照明衬底受到限制。缺乏氮化镓衬底是阻碍氮化物研究的主要困难之一，也是造成氮化镓发光器件进展再次停顿的根本原因。虽然曾有人从高压熔体中得到了单晶氮化镓体材料，但尺寸很小，无法使用。虽然在蓝宝石衬底上可以生产出中低档氮化镓发光二极管产品，但高档产品必须在氮化镓衬底上生产。目前，只有日本几家公司能够提供氮化镓衬底，但价格奇贵，一片2英寸衬底价格约1万美元，这些衬底全部由HVPE（氢化物气相外延）生产，技术工艺复杂。氢化物气相外延HVPE是二十世纪六七十年代的技术，生长速率很快（一分钟一微米以上）。八十年代，因不能生长量子阱QW（指由2种不同的半导体材料相间排列形成的具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱）、超晶格等结构材料，被金属有机化合物化学气相淀积MOCVD(Metal-organicChemicalVaporDeposition)和、MBE等技术淘汰。然而，由于氢化物气相外延HVPE生长速率快，正可以生长氮化镓衬底，故又“老调重弹”受到重视。可以预测，氮化镓衬底肯定会继续发展并形成产业化，HVPE技术必将重新受到重视，并有望生产出实用化的氮化镓衬底。但是，至今为止国际上尚无商品化的设备出售。目前，国内外氮化镓衬底研究是用二步法，即：用MOCVD和HVPE两台设备分开进行的。即先用MOCVD生长0.1～1微米的结晶层，再用HVPE生长约300微米的氮化镓衬底层，最后将原衬底剥离、抛光等。由于生长一个衬底需要在两个生长室中分两次生长，需要降温，生长停顿，取出等工艺步骤，难免会出现样品表面粘污、生长停顿和降温造成表面再构，影响下次生长。0Y3PO,R今后，氮化镓衬底技术研发重点应是寻找实用的生长方法，并大幅降低成本。·氧化锌衬底氧化锌（ZnO）作为GaN外延的候选衬底，是由于两者非常惊人的相似，即：11两者晶体结构相同、晶格失配度非常小，禁带宽度接近。但是，ZnO作为GaN外延衬底的致命的弱点是GaN外延生长的温度和气氛中容易分解和被腐蚀。目前，ZnO半导体材料尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件，主要是材料质量达不到器件级水平，P型掺杂问题也没有真正解决，适合ZnO基半导体材料生长的设备尚未研制成功。今后研发的重点是寻找合适的生长方法。但是，ZnO本身就是一种有潜力的发光材料。ZnO的禁带宽度为3.37eV，属直