LED照明的芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中的应用白光照

1、LED照明的芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中的应用白光照明的芯粉技术白光照明的技术走势大连路美*LED照明市场一角(掠影)*芯片可靠性对制备技术的要求-结温*提高白光功率芯片光效的方法（专利保护的电极结构，减小电流拥堵 引入PSS图形化衬底，提高光的提取效率 专利保护的背反射镜的优化，提高 DBR/ODR/垂直结构*提高芯粉结合技术，点亮白光市场（激发谱、能量传递机制、配色方案、荧光粉的光衰）提纲半导体照明的兴起由于半导体照明产业潜藏着巨大的经济和社会效益，许多国家和地区纷纷制定了发展计划美国“国家半导体照明研究计划”日本“21世纪光计划”韩国“GaN半导体开发计划”欧盟“彩虹计划”我国“国

2、家半导体照明工程”中国台湾地区“次世代照明光源开发计划” 各国及地区半导体照明研发计划表 （单位：lm/w） 国家/地区 2002年 2005年 2007年 2008年 2010年 2012年 2020年 美国 2070150200日本 150欧盟 中国台湾地区 40韩国 80中国 100150-200欧盟 2003年以来，大功率LED的应用逐步推开，价格也随之大幅降低。以功率为1W的白光LED来对比，2003年单颗价格为5-6美元，到2007年则降到2-3美元，而光效则由30lm/W提升到2007年的70-80lm/W。但对比2007年到现在的1W白光LED单颗价格，目前仍然维持在2-3美元

3、，不同的是光效提升到了80-90lm/W。目前有能力大批量供应白光LED功率芯片及LED器件厂商仍局限在Lumileds、Cree、Osram、Nichia以及台湾的晶电等为数不多的厂商，伴随着功率白光LED应用的高速增长及其光效的不断提升，预计其单颗LED价格不会有过大的降幅。LED照明市场一角(掠影)全球LED市场规模与增长率 单位：百万美元 020004000600080001000012000140001600020012002200320042005200620072008200920102011-10%-5%0%5%10%15%20%25%30%规模增长率手机背光带动增长手机背光增

4、长放缓新应用推动新一波增长在2008年，NB背光源、汽车照明市场、LED路灯等新应用将持续带动LED产业成长。预期在2010年以后，将由半导体照明应用为LED带来另一波成长的契机。 全球白炽灯禁用时间表国家和地区预计禁用时间情况介绍预估替代形式澳大利亚2009年停止生产，最晚在2010年逐步禁止使用传统的白炽灯。澳洲于2007年2月20日宣布一项计划，澳洲在2009年开始停止生产这类耗电灯具。最晚在2010年开始逐步禁止使用传统的白炽灯，将制定相关鼓励政策技术规定。灯泡状荧光灯、省电日光灯（CFL）、LED照明灯具、T5荧光灯管、OLED照明等台湾规划2010年开始执行白炽灯禁产政策，2012

5、年全面禁产。经济部能源局在行政院产业科技策略会议中宣布，将在2009年第一季全面淘汰白炽灯泡，改用LED照明，预计2010年起陆续停产白炽灯，2012年底将全面停止使用白炽灯泡。日本到2012年止，停止制造并销售高能耗白炽灯。政府决定到2012年为止，停止制造并销售高能耗白炽灯泡，东芝照明技术决定，在2010年之前停产普通白炽灯泡，关闭全部生产线。今后将以灯泡状荧光灯和LED照明灯节能产品取代白炽灯。美国2012年1月到2014年1月。大多数白炽灯泡将于2014年在美国市场上禁止销售。2007能源独立和安全法案（Energy Independence and Security ActH.R.6

6、).该法案规定，从2012年到2014年间，美国要逐步淘汰40W、60W、75W及100W白炽灯泡，以节能灯泡取代替换。中国发改委预计10年内禁用（禁售）白炽灯中国的国家发展改革委员会已与联合国开发计划书、全球环境基金合作共同开展“中国逐步淘汰白炽灯、加快推广节能灯专案，支持研究编制中国逐步淘汰白炽灯、加快推广节能灯行动计划。目前，青岛市发改委于日前下发通知，要求各区、市政府、各部门，市直各单位各大宾馆饭店、商场、写字楼、学校、医院、大型工厂企业等大力推广使用节能灯，到2010年以前停用白炽灯。欧盟各国 （英国） 欧洲联盟9月起禁止销售100瓦传统灯泡，2012起禁用所有瓦数的传统灯泡。欧盟零

7、售商2008年开始停卖150瓦灯泡，2009年将停卖60瓦灯泡。如：英国零售卖场2009年一开张，就停止100瓦灯泡补货，自愿停售期到2012年结束，之后政府会颁罚则，改用省电日光灯（CFL）或LED照明灯具。韩国2013年底前禁止使用白炽灯。南韩第4次能源利用合理化基本计划决定，将阶段性地提高光能源仅占5%，而热散发量高达95%的白炽灯的最低能耗效率标准，并在2013年底前予以淘汰。加拿大2012年前禁用白炽灯加拿大自然资源部长加里伦恩2007年4月25日宣布，加拿大定于2012年开始禁止销售白炽灯。是继澳洲后第二个宣布将禁用白炽灯的国家。近2-3年半导体照明的重点2007年LED照明产值达

8、48亿元，2010年预计98亿元。2009年LED照明渗透率可望有1.5%，比2008年倍增，总产值预计可达13亿美元。路灯2008年中国路灯市场规模大约1,500万盏左右，其中LED路灯的装置数量大约在50万盏。2009年中国LED路灯市场的装置数量预计将高达250万盏左右。 广东省2年内在10个城市实现“千里十万工程”瓦房店市7万盏LED路灯，年节约电费500多万元潍坊 2万盏LED路灯天津工业大学实现5000盏LED路灯室内照明来源LEDinsideLED路灯照明公司主走廊采用LED照明 来源:中国半导体照明网译3个LED组成的3.6W的功率即相当于50 W卤素灯水平。寿命为5万小时来源

9、:中国半导体照明网译LED情调灯2颗红色、1颗蓝色及1颗绿色LED所组成，可变化出1,677种不同顏色。芯片可靠性对制备技术的要求*结温的测试结温的测试采用动态电学参数法, 即利用小电流下LED的正向压降与温度成线性关系:Vf=nKT/q*ln(If/Io) + Rs*If式中: Vf为正向电压，If为正向电流; Io为反向饱和电流，q为电子电荷; K是玻尔兹曼常数，Rs是LED内阻; n是表征P/N结完美性的一个参量, 在1-2之间;由Tj=Rj*k*I*V+T环境 可以得到结温式中: Tj 为结温, Rj为热阻, K为光电转换效率, I, V 为电流和电压 室温下的结温和电流的关系芯片可靠

10、性对制备技术的要求*激活能的计算实验条件：电流： 30mA温度： 室温， 55，80芯片大小： 12mil*12mil芯片波长： 460nm芯片可靠性对制备技术的要求由加速老化的阿雷尼乌斯模型：AF=(IFac/IFop)2*exp(Ea/kb *(1/Tjop-1/Tjac)） (*)其中AF为加速因子，IFac, IFop为加速和正常工作时的电流， Ea为活化能， kb 为玻尔兹曼常数， Tjop Tjac 为正常工作和加速时的结温。(*)可以变化为：ln(AF)=Ea/kb* (1/Tjop-1/Tjac)+2ln(IFac/IFop)将相应数据代入可以得到： Ea=0.77eV*激活能

11、的计算芯片可靠性对制备技术的要求*专利保护的树枝电极结构-减小电流拥堵-使得注入电流扩展均匀-正负极的树枝交错排列，电流密度分布均匀-正向电压有效降低，提高了出光效率提高白光功率芯片光效的方法*专利保护的树枝电极结构提高白光功率芯片光效的方法大功率芯片图形 提高白光功率芯片光效的方法从图中可以看出，其树枝部分是呈现出粗细变化的，宽大部分为开始的大电流提供了更多的面积来扩散电流，避免造成电流拥堵。当电流流向树枝状窄端时，电流不断的由侧枝扩散出去，所以传输下去的电流越来越少，因此我们的树枝状电极相应的也做的越来越窄。因为电极引线采用锥形工艺，导线的电阻增加电流减小。因此与点状电极相比，沿着电极方向

12、，各处由电极流入导电层的电流更均匀。这再一次促进了沿着p型和n型电极引线方向各处电流的均匀扩散。另外在电极的整体设计上，理论上已经证明了正负极距离较短的设计有利于电流能够更加均匀的扩展，而我们的大功率芯片图形结构中正负极的树枝交错排列，这使得正负极距离得到有效的减小，也就使得电流能够得以更加均匀的分布。再加上其电极呈树枝状分布，正向电压可达3.4V以下。这项成果在我们已获得的美国专利高功率高亮度发光二极管及其制法（授权号：USP6，650，018）中有详细叙述。 提高白光芯片光效的方法*专利保护的背反射镜的优化，提高光效-背镀反射镜，提高出光效率60%-100%通过制作布拉格反射镜提高出光效率

13、，即在芯片的背面或者窗口处蒸镀反射金属，使有源层向上下两个方向发出的光都能够得到利用，提高出光效率50%-100%氮化镓基发光二极管包括透明衬底和用于透射LED产生光的窗口。理论上来讲，在有源层发出的光等几率地分别从窗口和蓝宝石衬底方向出射，如果利用的是通过窗口发出的光，那么从有源层发射向透明衬底的光大部分会损失；同样地，如果利用的是通过衬底发出的光，那么从有源层发射向窗口的光大部分会损失。所以我们需要一个分布布拉格反射镜，如果利用由窗口发出的光，反射镜直接形成于衬底背面；而如果利用透过衬底的光，反射镜直接形成于窗口的发光部分。即分布布拉格反射镜可以形成于衬底背面或窗口表面，光提取率可增加50

14、-100%。我们所说的分布布拉格反射镜也可以采用反射率比较好的银或铝等金属，示意图见图7。另外，这些反射层也可以使用那些可以提供更多散热优点的材料，以提高其散热的能力。这项技术在我们已获得的美国专利透明衬底发光二极管（授权号：USP6，643，304）中有详细叙述。如图7所示，其中包括：蓝宝石衬底101；缓冲区102；GaN替代的衬底层103；N型GaN层104；活性区106；P型GaN层107；窗口层108和109；N电极105；P接触层110和111；分布布拉格反射镜112和212。5、 提高白光芯片光效的方法1091081071061041031021011121091101111051

15、09108107106104103102101212109110111105专利保护的背反射镜的示意图 提高白光芯片光效的方法分布布拉格反射镜技术示意图（美国授权号：USP6，643，304）如图9所示，其中包括：蓝宝石衬底101；缓冲区102；GaN替代的衬底层103；N型GaN层104；活性区106；P型GaN层107；窗口层108和109；N电极105；P接触层110和111；分布布拉格反射镜112和212。提高芯粉结合技术点亮白光市场*激发光谱用于白光LED的发光材料主要有四大类，而YAG发光材料以其转化效率高成为制作白光LED最成熟的主流技术路线。 石榴石结构的稀土掺杂的复合氧化物发

16、光材料，如YAG和TAG； 硅酸盐基质发光材料： 硅氧氮化合物发光材料； 硫化物或硫代氧酸盐发光材料； （部分）激发荧光体使其发出黄光LED发出蓝光 （透镜）复合成白光 （部分）剩余蓝光1-PC-LED(B+Y)蓝光（460）芯片YAG:Ce荧光体（560，黄光）光谱 YAG:Ce材料改进 YAG:Ce层厚改变的发射光谱变化（蓝光芯片） 固体发光过程 激 发 吸 收 发 光能量转换能量输运能量传递*能量传递机制激发能量转移发射敏化剂激活剂能量传递过程示意图能量传递机制-能量传递，是激发态两个中心之间的能量转移过程。-灯用发光材料的能量传递过程大体有两种，共振能量 传递和辐射再吸收过程。-辐射再吸收过程是光子发射后再被吸收。-激发能量从一个激发中心（能量的给与体）传递给另一个临近的未被激发的中心（能量接受体），主要通过量子机械共振实现。-共振传递包括三种情况：多级相互作用、交换作用和声子能量协助传递。前两种情况指能量给与体发射光谱与能量接受体激发光谱有部分重叠。第三种情况是能量给与体和能量接受体光谱之间不能很好地满足共振条件时产生的。 发光材料主要由基质、激活剂构成 稀土离子既可作基质组分又可做激活剂。用做基质组分：Y3+, Sc3+, La3+,Gd3+, Lu3+用做激活剂： Ce3+,P