国内外大功率发光二极管的研究发展动态

国内外大功率发光二极管的研究发展动态电子信息科学与技术专业李江涛指导教师邓德力摘要：大功率LED广义上是指单颗LED光源功率大于0.35W，广泛应用于景象照明等场所。本文立足于对大功率LED光学性能的研究，简要介绍了外延材料、芯片及工艺等技术对LED成品的影响。通过对国内外外延结构和封装等方面的浅要分析，得出MOCVD和MBE两种技术在LED领域的应用使得各种复杂结构的生长成为可能，同时，LED技术指标的不断提高，提高了大功率LED器件性能和应用产品可靠性。关键词：大功率发光LED;光学性能;封装技术TheResearchAndDevelopmentOfTheHighPowerLightEmittingDiodeStudentmajoringinElectronicinformationscienceandtechnologyLiJiangtaoTutorDengDeliAbstract：ThehighpowerLEDbroadlyreferstoasingleLEDwhoselightsourcepowerthan0.35w,It’swidelyusedinSceneilluminationandetc.BasedonthestudyofthehighpowerLED’sopticalpropertiesof,brieflyintroducestheinfluenceofextensionmaterials,chipandproducingtechnologyontheledproducts.Throughtheanalysisofdomesticandinternationalextensionstructureandpackaging,etc,drawtheconclusionthatthetwotechnologyofMOCVDandMBEareappliedintheLEDfieldsmakesthegrowthofcomplexstructurepossible,atthesametime,asthetechnicalindexesLEDriseceaselessly,theperformanceandtheapplicationofhighpowerLEDhavebeenimproved.Keywords：ThehighefficiencyshinesLED;Opticalproperty;Encapsulationtechnology引言：半导体照明是指用全固态发光器件作为光源的照明技术，包括使用半导体发光二极管(LED，LightEmittingDiode)或者有机半导体发光二极管(OLED，OrganicLightEmittingDiode)来作为光源。半导体照明是21世纪半导体技术发展与突破的关键，作为国家发展下一代照明的战略性技术，将带动以GaN为代表的第三代宽禁带半导体技术的发展。半导体照明是节能的“富矿”同样亮度下耗电仅为普通白炽灯的1/10，节能灯的1/2，使用寿命却可以延长100倍。随着LED技术的快速进步和新的应用不断出现，节能效果已经显现。如景观照明(替代霓虹灯)节能70％、交通信号灯(替代白炽灯)节能80％，如能在2010年进入普通照明，节能的效果将更加显著。专家预测，在2005年至2015年间，我国半导体照明在特殊照明领域的应用可累计实现节电约4000亿度；2015年后半导体照明进入普通照明应用后，其每年节电量将超过1000亿度[1]。半导体照明是安全、健康的“绿色光源”，环保效果明显。半导体照明光源直流、低压、无频闪和电磁干扰，无红外、紫外辐射，无荧光灯中的汞蒸汽等污染物，符合欧盟未来灯具生产标准，并通过节能降耗减少火力发电产生的C02、S02和粉尘的排放量。此外，半导体照明的数字化照明应用和丰富的视觉效果可以调节人的生理和心理、营造气氛，带来健康舒适的生活和工作环境。目前半导体照明已从最初的手机、交通信号、显示屏、景观装饰等特殊照明领域，开始进入电脑、电视等中大尺寸液晶背光，已成为当代信息社会“增光添彩”不可或缺的关键元器件。基于GaN基功率型蓝光LED的白光照明技术，其国际最高水平流明效率已经达到或者超过了荧光灯，最高已经超过1201m／W。当前半导体照明应用面临的主要挑战是从各个方面入手提高器件的流明效率。归纳起来，可以从以下几个方面来概括半导体照明技术与产业的现状与发展趋势：一、现有的技术路线(蓝宝石衬底)在3-5年内不可能替代。依此路线，在2010年有望实现130—1501m／W目标，现有的外延材料、芯片及工艺等技术在3-5年内不会有新的突破性进展。衬底材料中蓝宝石和与之配套的垂直结构的衬底剥离技术仍将在较长时间内占统治地位。二、目前LED最大的技术问题是两高两低，即提高内量子效率和出光效率，降低光衰(提高寿命)与降低成本。LED最终的功率效率是整个生产流程中电注入效率、内量国内超亮度及白光子效率、出光效率、封装效率和光转换效率的乘积。内量子效率和出光效率两大指标亟需大幅度提高。光效Droop(LED在大电流条件下出现光电效率的衰减)仍是比较大的问题。三、目前解决出光效率的技术首选垂直结构和光子晶体(3-5年)。垂直结构的LLO．LED(LaserLiftoffLED)和低成本的Si衬底的薄膜生长技术在短期内仍将保持其优势。激光剥离的大尺寸垂直结构LED是目前实现高亮度、大功率型白光LED的最佳方案。与传统工艺相比，不仅出光效率高、正向压降小、远场辐射好，而且其出光效率不会随管芯尺寸的增加显著降低，是提高内量子效率的首选。在大电流注入的情况下，垂直结构LED的光电转换效率衰减的趋势也比原有工艺缓很多[1]。光子晶体是提高外量子效率的必由之路。四、未来技术趋势是非极性面外延(5-8年)、GaN衬底外延(8-10年)。非极性面生长技术能有效降低内建极化场，为提高内量子效率提供了一个新的选择，有望突破绿光LED高功率效率的问题。这使得实现暖色调以及可调色调的白光LED照明成为可能。GaN衬底生长技术能有效减少缺陷，控制非均匀性，是从根本上提高内量子效率的有效方法，预计需要8-10年能有所突破。五、大功率LED封装是一个涉及到多学科(如光学、热学、机械、电学、力学、材料、半导体等)的研究课题。LED封装设计应与芯片设计同时进行，并且需要对光、热、电、结构等性能统一考虑。在封装结构上，可以采用大面积芯片倒装结构、金属线路板结构、导热槽结构、微流阵列结构等。为了解决芷片材料与散热材料之问因热膨胀失配造成电极引线断裂的问题，可以选用陶瓷、Cu/Mo板和Cu/W板等合金作为散热材料；选用导热性能好的铝板、铜板作为散热基板材料是当前研究的重点之一。选择合适的界面材料以及确定界面材料的合理厚度可以减低芯片的内部热应力。对荧光粉和封装材料等施加一定的保护也可以提高大功率LED的性能和可靠性。节能、环保的半导体照明，是缓解我国能源紧张的有效途径之一。LED作为绿色、节能、长寿的新一代照明和显示器件中的光源，将在5-10年内大规模取代传统光源，已成为世界各国科技界、产业界的共识，一场照明领域的革命已经清晰地显现出它亮丽的晨光。LED产业发展状况我国LED产业从上世纪七十年代开始，一直紧跟着世界LED产业的发展步伐。特别是近几年来，由于国家的重视，863光电子项目的投入，相关大学、研究所加大研发力量，各地方政府及企业投入增加，加快发展速度。到目前为止，已具有一定的规模，并初步形成LED产业链。1大功率LED1.1LED发光原理发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。当一个正向偏压施加于PN结两端时，在某些半导体材料的PN结中，其P区的载流子浓度远大于N区，非平衡空穴的积累远大于P区的电子积累（对应NP结，情况正好相反），由于电流注入产生的少数载流子是不稳定的，对于PN结系统，注入到价带中的非平衡空穴要与导带中的电子复合，饱和后，多余的能量则以光的形式向外辐射，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光[1]。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。因此，LED基本的工作机理是一个电光转换的过程，当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，通常，禁带宽度越大，辐射出的能量越大，对应的光子具有较短的波长，反之具有较长的波长，因此，由于半导体晶体禁带宽度的不同，就发出从紫外到红外不同颜色、不同强度的光线[2]。半导体晶体的原子排列决定禁带，确定发光特性：λ=hc/Eg；杂质掺入形成p型区和n型区；在正向偏压下，注入电子与空穴复合；复合能量以光（有效复合）或热（无效复合）的形式释放；整个过程基本上是无害的。一般的半导体发光二极管，多以III-V、II-VI族化合物半导体为材料。这些材料的发光范围由红光到紫外线，目前红光的材料主要有A1GalnP，而蓝绿光及紫外线的主要材料则有A1GalnN。虽然II-VI族材料也可以得到红光和绿光，但是此族材料极为不稳定，所以目前使用的发光材料大部分是III-V族，最有前途的是GaN器件。1.2LED晶片的基本构造LED晶片的基本结构一般可归为两大类，一类是针对GaP、GaAsP、AlGaAs等传统型LED晶片，一类是针对超高亮度InGaAlP红、黄与InGaN蓝、绿光器件而言。而目前应用到最多的是第二类LED晶片，这类器件主要包括衬底、发射层、MQW发光层、透光层四个部分。其一般均通过MOCVD外延工艺制备。对于四元的红、黄晶片，通常采用GaAs作为衬底，但由于GaAs吸收光较强，因此，会在衬底和发光层生长一层反射层。对于GaN基器件，一般采用Al2O3或SiC作为外延衬底，其优点在于不存在吸收光，因此一般不加发射层[3]。2LED的制造和影响其发光的相关参数。2.1LED的相关参数2.1.1电学指标①正向工作电流IF（mA）�额定工作电流IF（mA）：LED在理想的线性工作区域，在此电流下可安全地维持正常的工作状态；�最小工作电流IFL（mA）：LED在小于此电流工作时，由于超出理想的线性工作区域，将无法保证LED的正常工作状态（尤其是在一致性方面）；�最大容许正向电流IFH（mA）：LED最大可承受的正向工作电流，在此电流下，LED仍可正常工作，但发热量剧增，LED的使用寿命将大大缩短；�最大容许正向脉冲电流IFP（mA）：LED最大可承受的一定占空比的正向脉冲电流的高度。图1②正向压降VF（V）由LED本身固有的I~V特性曲线决定，在IF条件下所对应的VF数值。二元、三元、四元晶片的LED的VF：1.7~2.5VGaN类晶片的LED的VF：2.7~4.0V。③耗散功率PD（W）：PD=IF·VF最大容许耗散功率PDH=IFH·VFH。④反向电流IR（μA）：LED在一定的反向偏压（通常取VR=5V）下的反向漏电流。⑤反向电压VR（V）：LED在指定反向电流下所对应的反向电压。⑥最大容许反向电压Vz（V）：LED所能承受的最大反向电压，超出此电压使用，将导致LED反向击穿。2.1.2光学指标①光通量ΦV（lm）：光源在单位时间内发出的光量。dVKmdtdQ)()((1)②发光强度IV（cd）：光源在单位立体角上的光通量。ddIV(2)③光照度EV（lux）：光源照射在光接收面上一点处的面元上的光通量dΦV与该面元面积dS的比值。dSdE(3)④发光效率ηV（lm/W）：LED发射的光通量与输入功率的比值。VfIfPd(4)⑤发光强度空间分布图图2⑥半强度角θ1/2：在发光强度分布图形中，发光强度大于最大强度一半之处所构成的角度。⑦峰值波长λP（nm）：光谱辐射功率最大点所对应的波长。⑧主波长λd（nm）：以规定白光[通常为等能白E（x=0.3333,y=0.3333）]为参照点，某点颜色的色调与波长为λd的纯光谱相同，则λd称为该点颜色