大功率白光LED技术及进展2011031030019谭灿

1、大功率白光LED技术及进展2011031030019 谭灿 Page 22大功率白光大功率白光LED的定义的定义1、拥有大额定工作电流的发光二极管，发出的光为白色。2、通常 P1w; 电流几十毫安到几百毫安Page 33实现手段实现手段四种方式： 1. 三基色合成2. UVLED + RGB 荧光粉3.蓝光 LED + YAG 荧光粉4.单一芯片非荧光转换Page 441. RGB三基色合成三基色合成 将发出红黄蓝三种颜色的发光二极管按比例组合在芯片上，发出白光。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 实现控制图优点：效率高，色度好缺点：成

2、本高；三种颜色LED随时间的衰减速度各不相同, 红、绿、蓝 LED 的衰减速率依次上升。Page 772、UVLED + RGB 荧光粉荧光粉 通过调整高亮度的近紫外 LED 红、绿、蓝荧光粉的配比可以形成白光。发光原理与RGB三基色合成几乎相同 优缺点： 优点：1.更容易获得颜色一致的白光, 2.可以获得很高的显色指数（90） 缺点： 1.高效的功率型紫外 LED 不容易制作; 2.激发低能量的红绿蓝光子导致效率较低 3.封装材料在紫外光的照射下容易老化寿命缩短； 4.存在紫外线泄漏的安全隐患Page 883、蓝光蓝光 LED + YAG 荧光粉荧光粉 以功率型 GaN 基蓝光 LED 为泵

3、浦源 激发黄色无机荧光粉或黄色有机荧光染料,由激发获得的黄光与原有蓝光混合产生视觉效果的白光 优点：白光 LED 发光管结构简单，制作工艺相对容易,而且 YAG 荧光粉已经在荧光灯领域应用了许多年，工艺比较成熟。 缺点：蓝光 LED 发光效率还不够高短波长的蓝光激发荧光粉产生长波长的黄光存在能量损耗荧光粉与封装材料随着时间老化导致色温漂移; 不容易实现低色温 (一般照明用的白光都略微偏暖色, 色温较低 ),显色指数一般也不高(7080); 功率型白光还存在空间色度不均匀Page 994、 ZnSe产生白光的技术，在ZnSe单晶基板上形成CdZnSe薄膜，通电后使薄膜发出蓝光，同时部分蓝光照射到

4、基板上而发出黄光，最后蓝光黄光混合后形成白光。Page 1010白光白光LED芯片技术及关键材料芯片技术及关键材料主要分为两种发光方式 ： 第一种是日亚化以460nm 波长的 InGaN 蓝光晶粒上涂一层 YAG 荧光物质，利用蓝光 LED 照射此荧光物质以与蓝光互补的555nm 波长的黄光，再利用透镜原理将互补的黄光，蓝光予以混合，得出所需的白光。 第二种是日本住友电工开发的以 ZnSe 为材料的白光 LED，但发光效率较差。Page 1111白光白光LED芯片技术及关键材料芯片技术及关键材料LED衬底材料的选择通常有以下要求：衬底材料的选择通常有以下要求： 结构特性好，外延材料与衬底的晶格

5、结构相同或相近； 界面特性好，有利于外延材料的生长，并且粘附性强； 化学稳定性好，在外延生长的温度和气氛中不容易分解和被腐蚀； 热学性能好，包括热导性好和热失配度小； 光学性能好，对光的吸收少，有利于提高器件的放光效率； 有良好的导电性，能制成上下层结构； 机械性能好，器件容易加工 尺寸大通常要求直径不小于2in（1in=0.0245m); 价格低廉Page 1212LED衬底材料的种类1）蓝宝石（）蓝宝石（Al2O3) 通常，GaN基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上。蓝宝石衬底有许多的优点：首先， 蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过

6、程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此，大多 数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。 使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题，例如晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺 陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。 Page 1313LED衬底材料的种类2）碳化硅（）碳化硅（SiC) 该衬底材料有很多突出的优点，如化学稳定性好，有优异的导电性和导热性，不吸收可见光等，但是不足在价格较高，机械加工性能差、警惕质量难以与蓝宝石和硅媲美。 碳化硅衬底的导热性能（碳化硅的导热系数490W/(mK)）要比蓝宝石衬底高出10倍 以上。蓝宝石本身是热的不良导体，并且在制作器件时底部需要使用银胶固晶，这种银

7、胶的传热性能也很差。使用碳化硅衬底的芯片电极为L型，两个电极分布在器 件的表面和底部，所产生的热量可以通过电极直接导出；同时这种衬底不需要电流扩散层，因此光不会被电流扩散层的材料吸收，这样又提高了出光效率 Page 1414LED衬底材料的种类3）硅（）硅（Si） 硅衬底的芯片电极可采用两种接触方式，分别是L接触（Laterial-contact , 水平接触）和V接触（Vertical-contact，垂直接触），通过这两种接触方式，LED芯片内部的电流可以是横 向流动的，也可以是纵向流动的。由于电流可以纵向流动，因此增大了LED的发光面积，从而提高了LED的出光效率。因为硅是热的良导体，所

8、以器件的导热性 能可以明显改善，从而延长了器件的寿命。Page 1515LED衬底材料的种类4)氮化镓（氮化镓（GaN) GaN单晶材料是用于生长GaN外延层的最理想的衬底。用GaN作衬底生长GaN外延层，可以大大提高外延膜晶体质量，降低位错密度，提高LED发光效率、电流密度和寿命，但这种单晶材料制备非常困难，且价格搞，使其实现商品化受到限制。5）砷化镓（）砷化镓（GaAs) 它的优点是晶格常数比较匹配，可以制成无位错单晶；缺点是其为吸光材料，影响LED的发光效率。Page 1616LED衬底材料的种类6）氧化锌（）氧化锌（ZnO) ZnO与GaN的晶格结构相同，禁带宽度非常接近，所以ZnO是

9、GaN外延的候选衬底。但是，ZnO的致命弱点是GaN外延生长的温度和气氛中容易放生分解和被腐蚀，所以目前不能用来制造光电子器件。 在上述LED芯片外延片衬底材料中，虽然用于GaN生长的衬底材料较多，但是目前实现商品化得仅限于Al2O3和SiC两种，其他几种衬底材料有待于继续研发。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 界面会发生全反射 多次全反射 光子被吸收 措施： （1）是减少光在芯片内部的反射次数,缩短光在LED内部的传播路径。 （2）是减少芯片电极等对光的吸收2. droop效应 LED注入电流 增加 发光效率降低原因：1是俄歇复合机制。2是极化效应引起的载流

10、子泄漏机制 措施：注入LED电流均匀分布Page 1818提高量子效率的措施提高量子效率的措施3.采用异质结结构 异质PN结带隙较高较高的折射率之差，势垒差较高光强且半高宽较窄。Page 1919发展趋势发展趋势 目前，LED 在照明市场的前景更备受全球瞩目。大功率白光 LED 目前实验室里已经达到157lm/w 的水平，接近100lm/w 的大功率白光 LED 已进入商业化。大功率、高光效、低成本三大瓶颈正在被逐步突破。 2006 年 6 月日亚化学发布 100Lm/W 光效的白光 LED ；美国 Cree 公司开发出发光效率达到 131Lm/W 的白光LED；韩国首尔半导体推出光效为 100lm/W 的单芯片白光 LED-P4；CaoGroup公司的 DynastyLED 典