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1、GaN基高亮度白光发光二极管,- 照明领域的又一次革命,Seminar I,王浩,半导体发光二极管及其发展历史,发光二极管Light-Emitting Diode 是由数层很薄的掺杂半导体材料制成。当通过正向电流时，n区电子获得能量越过PN结的禁带与p区的空穴复合以光的形式释放出能量。,发光效率 lm/w,12.5,55,发光二极管的发展,第三代GaN半导体材料特点,宽带隙化合物半导体材料，有很高的禁带宽度（2.3 6.2eV)，可以覆盖红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围 ，是到目前为止其它任何半导体材料都无法达到的 高频特性，可以达到300G Hz（硅为10G，砷化镓为80G） 高温特性，在3
2、00正常工作（非常适用于航天、军事和其它高温环境） 电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好 耐酸、耐碱、耐腐蚀（可用于恶劣环境） 高压特性（耐冲击，可靠性高） 大功率（对通讯设备是非常渴望的）,GaN固体光源的应用,半导体白光照明 车内照明 交通信号灯 装饰灯 大屏幕全彩色显示系统 太阳能照明系统 其他照明领域 紫外、蓝光激光器 高容量蓝光DVD、激光打印和显示、军事领域等,LED照明的优势,发光效率高，节省能源 耗电量为同等亮度白炽灯的 10%-20%，荧光灯的1/2。 绿色环保 冷光源，不易破碎，没有电磁干扰，产生废物少 寿命长 寿命可达10万小时 固体光源、体积小、重量轻、方向性好
3、单个单元尺寸只有35mm 响应速度快，并可以耐各种恶劣条件 低电压、小电流,半导体照明是21世纪最具发展前景的高技术领域之一,日本、美国、欧盟、韩国等国家和地区都相继制定了本国的半导体照明计划我国科技部于2003年6月成立“国家半导体照明工程”协调领导小组，在“十五”期间，从国家层面推出“半导体照明工程” 如果我国1/3照明应用半导体照明，每年可以节约的电量1000亿度，多于一个三峡水电站的发电量（800亿度）,半导体照明具有巨大的市场潜力,预计到2005年全球LED市场需求量约为2000亿只，市场需求将以每年30%的速度递增，世界许多公司都积极投入LED的研发生产。,主要有日本的日亚化学、住
4、友电工、丰田合成、罗沐、东芝和夏普，美商Cree，全球3大照明厂奇异、飞利浦、欧司朗以及HP、Siemens、 Research、EMCORE等,高亮度白光发光二极管的 制造工艺,制约GaN基LED发展的因素,高亮度白光LED的实现,基于蓝光LED，通过黄色荧光粉激发出黄光，组合成为白光,通过红、绿、蓝三种LED组合成为白光,基于紫外光LED，通过三基色粉，组合成为白光,发光二极管的制造工艺过程,制造衬底,封状成 成品,制造 芯片,制造发光二极管外延片,例如GaAs、Al2O3 、 SiC等,例如MOCVD,一片2直径英寸的外延片可以加工10000多个LED芯片,GaN外延片生长技术,GaN外
5、延片的生产主要采用薄膜沉积的方法,HVPE（卤化物气相外延）MBE（分子束外延）MOCVD（有机金属化学气相沉积）,生长温度低（600oC）、可精确控制薄膜厚度和组分、p型薄膜掺杂浓度高，适于生长要求界限分明、组分控制精度高的器件结构。 生长速率太慢,Nakamura等设计的垂直双流MOCVD常压反应器,芯片制造工艺,日亚公司1994年首创的GaN LED芯片结构,2001年Lumileds公司研制的功率型大面积芯片到装结构,功率型大面积芯片到装结构的优点,功率型大面积芯片到装结构 1. 采用背面出光避免了p面欧姆接触电极吸收和n面键合引线遮挡而且可以增加欧姆接触层的厚度降低正向电压降 2.
6、可以采用高反射率的金属作为p型欧姆接触电极和光学反射层。 3. 采用硅片作为GaN芯片到装的载体硅片与蓝宝石具有相同的热膨胀系数，可以采用硅旁路二极管保护芯片不受静电冲击，而且硅片易加工可采用工业化标准工艺 4. 用大面积芯片加大工作电流获得大功率的性能,传统结构的芯片取光效率和发光效率不高，因为p电极和n电极在外延表面的同一侧，正面射出的光会被p面接触电极吸收和n电极的键合引线遮挡。 * p面欧姆接触电极 p型GaN层的电导率低，外延层表面须覆盖半透明的NiAu欧姆接触层来满足电流扩展的需要。,一体化插入式并联栅状电极,一体化插入式并联栅状电极可以通过减小电流扩展距离来减小扩展电阻，从而提高
7、发光效率,封装技术,管壳及封装是大功率LED关键技术之一。美国Lumileds公司研制的的大功率LED封装结构采用与常规的LED不同的全新的封装技术。它是将LED芯片焊接在具有焊料凸点的硅载体上，再将其直接装在热沉上，使大面积芯片能在大电流下工作，并使其热性能得到改善。这种封装对于取光效率，散热性能和电流密度的设计都是最佳的。,长 寿 命、高 效 率、高 电 流 密 度、高 亮 度,热阻低热阻仅有14oC/W，是常规5mm型LED的1/20 可靠性高内部填充稳定的柔性凝胶体，在-40120oC 范围内不会使金丝和框架引线断开。 反射杯和透镜的最佳设计使辐射图样可控制和光学效率最高常规型LED在
8、大电流（150mA）下工作几个小时就出现明显退化和永久失效，而这种封装的LED即使在1A电流下工作也不会出现功率下降和失效。,大功率LED封装结构的特点,GaN基发光二极管还存在的问题,价格过高至少应从目前的1$/个降至0.2$/个 发光效率还不够高至少从目前的50100lm/w提高到200lm/w 性价比低 还不到民众普及的时刻使用低压直流电，与现有的照明系统不同 半导体照明的寿命实际上还涉及多方面的问题，与10万小时的理论寿命有差距,2001年建成的由18,677,760个LED组成的世界上最大的显示屏,谢 谢 ！,发光二极管是由数层很薄的掺杂半导体材料制成。当通过正向电流时，电子与空穴复
9、合以光的形式释放出能量。,半导体发光二极管及其发展历史,1965年世界上的第一只商用化LED诞生，用锗制成，单价45美元，为红光LED，发光效率0.1 lm/w（流明/瓦） 1968年利用半导体掺杂工艺使GaAsP材料的LED的发光效率达到1 lm/w, 并且能够发出红光、橙光和黄光 1971年出现GaP材料的绿光LED，发光效率也达到1 lm/w 80年代，重大技术突破，开发出AlGaAs材料的LED，发光效率达到 10 lm/w 90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，它们做成的LED光效分别达到100 lm/w和50 lm/w 90年代中期出现以蓝宝石为衬底的GaN蓝光LED，到目前仍然为该技术,发光效率 lm/w,12.5,55,第三代半导体材料的兴起,20世纪50年代，以硅为代表的半导体材料为第一代半导体材料 20世纪90年代以来，以砷化镓，磷化铟为代表的化合物半导体材料为第二代半导体材料 以氮化镓GaN为代表的宽带隙化合物半导体材料为第三代半导体材料,
