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1、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：大功功率LEED广义义上是指指单颗LLED光光源功率率大于00.355W，广广泛应用用于景象象照明等等场所。本本文立足足于对大大功率LLED光光学性能能的研究究，简要要介绍了了外延材材料、芯芯片及工工艺等技技术对LLED成成品的影影响。通通过对国国内外外外延结构构和封装装等方面面的浅要要分析，得得出MOOCVDD和MBBE两种种技术在在LEDD领域的的应用使使得各种种复杂结结构的生生长成为为可能，同同时，LLED技技术指标标的不断断提高，提提高了大大功率LLED器器件性能能和应用用产品可可靠性。关键词：大大
2、功率发发光LEED;光光学性能能;封装装技术 The RReseearcch AAnd Devveloopmeent Of Thee Hiigh Powwer Ligght Emiittiing Dioode Studeent majjoriing in Eleectrroniic iinfoormaatioon sscieencee annd ttechhnollogyy Li JiaangttaoTutorr Deeng DelliAbstrractt：Thee hiigh powwer LEDD brroaddly refferss too a sinnglee LEED wwhosse
3、 llighht ssourrce powwer thaan 00.355 w, Itts widdelyy ussed in Sceene illlumiinattionn annd eetc. Baasedd onn thhe sstuddy oof tthe higgh ppoweer LLEDs ooptiicall prropeertiies of, brrieffly inttrodducees tthe infflueencee off exxtennsioon mmateeriaals, chhip andd prroduucinng ttechhnollogyy onn th
4、he lled prooduccts. Thhrouugh thee annalyysiss off doomessticc annd iinteernaatioonall exxtennsioon sstruuctuure andd paackaaginng, etcc, ddraww thhe cconcclussionn thhat thee twwo ttechhnollogyy off MOOCVDD annd MMBE aree apppliied in thee LEED ffiellds makkes thhe ggrowwth of commpleex sstruuctuur
5、e posssibble,at thee saame timme, as thee teechnnicaal iindeexess LEED rrisee ceeaseelessslyy, tthe perrforrmannce andd thhe aappllicaatioon oof hhighh poowerr LEED hhavee beeen impprovved.Key wwordds：Thee hiigh effficiienccy sshinnes LEDD; OOptiicall prropeertyy; EEncaapsuulattionn teechnnoloogy 引言
6、：半导导体照明明是指用用全固态态发光器器件作为为光源的的照明技技术，包包括使用用半导体体发光二二极管(LEDD，Liightt Emmitttingg Diiodee)或者者有机半半导体发发光二极极管(OOLEDD，Orrgannic Ligght Emiittiing Dioode)来作为为光源。半半导体照照明是221世纪纪半导体体技术发发展与突突破的关关键，作作为国家家发展下下一代照照明的战战略性技技术，将将带动以以GaNN为代表表的第三三代宽禁禁带半导导体技术术的发展展。半导体照明明是节能能的“富矿”同样亮亮度下耗耗电仅为为普通白白炽灯的的1/110，节节能灯的的1/22，使用用寿命却却
7、可以延延长1000倍。随随着LEED技术术的快速速进步和和新的应应用不断断出现，节节能效果果已经显显现。如如景观照照明(替替代霓虹虹灯)节节能700、交交通信号号灯(替替代白炽炽灯)节节能800，如如能在220100年进入入普通照照明，节节能的效效果将更更加显著著。专家家预测，在在20005年至至20115年间间，我国国半导体体照明在在特殊照照明领域域的应用用可累计计实现节节电约440000亿度；20115年后后半导体体照明进进入普通通照明应应用后，其其每年节节电量将将超过110000亿度1。半导体照明明是安全全、健康康的“绿色光光源”，环保保效果明明显。半半导体照照明光源源直流、低低压、无无
8、频闪和和电磁干干扰，无无红外、紫紫外辐射射，无荧荧光灯中中的汞蒸蒸汽等污污染物，符符合欧盟盟未来灯灯具生产产标准，并并通过节节能降耗耗减少火火力发电电产生的的C02、S002和粉尘尘的排放放量。此此外，半半导体照照明的数数字化照照明应用用和丰富富的视觉觉效果可可以调节节人的生生理和心心理、营营造气氛氛，带来来健康舒舒适的生生活和工工作环境境。目前半导体体照明已已从最初初的手机机、交通通信号、显显示屏、景景观装饰饰等特殊殊照明领领域，开开始进入入电脑、电电视等中中大尺寸寸液晶背背光，已已成为当当代信息息社会“增光添添彩”不可或或缺的关关键元器器件。基基于GaaN基功功率型蓝蓝光LEED的白白光照
9、明明技术，其其国际最最高水平平流明效效率已经经达到或或者超过过了荧光光灯，最最高已经经超过112011mWW。当前前半导体体照明应应用面临临的主要要挑战是是从各个个方面入入手提高高器件的的流明效效率。归归纳起来来，可以以从以下下几个方方面来概概括半导导体照明明技术与与产业的的现状与与发展趋趋势：一、现有的的技术路路线(蓝蓝宝石衬衬底)在在3-55年内不不可能替替代。依依此路线线，在220100年有望望实现113015001mW目标标，现有有的外延延材料、芯芯片及工工艺等技技术在33-5年年内不会会有新的的突破性性进展。衬衬底材料料中蓝宝宝石和与与之配套套的垂直直结构的的衬底剥剥离技术术仍将在在
10、较长时时间内占占统治地地位。二、目前LLED最最大的技技术问题题是两高高两低，即即提高内内量子效效率和出出光效率率，降低低光衰(提高寿寿命)与与降低成成本。LLED最最终的功功率效率率是整个个生产流流程中电电注入效效率、内内量国内内超亮度度及白光光子效率率、出光光效率、封封装效率率和光转转换效率率的乘积积。内量量子效率率和出光光效率两两大指标标亟需大大幅度提提高。光光效Drroopp(LEED在大大电流条条件下出出现光电电效率的的衰减)仍是比比较大的的问题。三、目前解解决出光光效率的的技术首首选垂直直结构和和光子晶晶体(33-5年年)。垂垂直结构构的LLLOLLED(Lasser Lifft
11、ooffLLED)和低成成本的SSi衬底底的薄膜膜生长技技术在短短期内仍仍将保持持其优势势。激光光剥离的的大尺寸寸垂直结结构LEED是目目前实现现高亮度度、大功功率型白白光LEED的最最佳方案案。与传传统工艺艺相比，不不仅出光光效率高高、正向向压降小小、远场场辐射好好，而且且其出光光效率不不会随管管芯尺寸寸的增加加显著降降低，是是提高内内量子效效率的首首选。在在大电流流注入的的情况下下，垂直直结构LLED的的光电转转换效率率衰减的的趋势也也比原有有工艺缓缓很多1。光光子晶体体是提高高外量子子效率的的必由之之路。四、未来技技术趋势势是非极极性面外外延(55-8年年)、GGaN衬衬底外延延(8-1
12、0年年)。非非极性面面生长技技术能有有效降低低内建极极化场，为为提高内内量子效效率提供供了一个个新的选选择，有有望突破破绿光LLED高高功率效效率的问问题。这这使得实实现暖色色调以及及可调色色调的白白光LEED照明明成为可可能。GGaN衬衬底生长长技术能能有效减减少缺陷陷，控制制非均匀匀性，是是从根本本上提高高内量子子效率的的有效方方法，预预计需要要8-110年能能有所突突破。五、大功率率LEDD封装是是一个涉涉及到多多学科(如光学学、热学学、机械械、电学学、力学学、材料料、半导导体等)的研究究课题。LLED封封装设计计应与芯芯片设计计同时进进行，并并且需要要对光、热热、电、结结构等性性能统一
13、一考虑。在在封装结结构上，可可以采用用大面积积芯片倒倒装结构构、金属属线路板板结构、导导热槽结结构、微微流阵列列结构等等。为了了解决芷芷片材料料与散热热材料之之问因热热膨胀失失配造成成电极引引线断裂裂的问题题，可以以选用陶陶瓷、CCu/MMo板和和Cu/W板等等合金作作为散热热材料；选用导导热性能能好的铝铝板、铜铜板作为为散热基基板材料料是当前前研究的的重点之之一。选选择合适适的界面面材料以以及确定定界面材材料的合合理厚度度可以减减低芯片片的内部部热应力力。对荧荧光粉和和封装材材料等施施加一定定的保护护也可以以提高大大功率LLED的的性能和和可靠性性。节能能、环保保的半导导体照明明，是缓缓解我
14、国国能源紧紧张的有有效途径径之一。LLED作作为绿色色、节能能、长寿寿的新一一代照明明和显示示器件中中的光源源，将在在5-110年内内大规模模取代传传统光源源，已成成为世界界各国科科技界、产产业界的的共识，一一场照明明领域的的革命已已经清晰晰地显现现出它亮亮丽的晨晨光。LED产业业发展状状况我国国LEDD产业从从上世纪纪七十年年代开始始，一直直紧跟着着世界LLED产产业的发发展步伐伐。特别别是近几几年来，由由于国家家的重视视，8663光电电子项目目的投入入，相关关大学、研研究所加加大研发发力量，各各地方政政府及企企业投入入增加，加加快发展展速度。到到目前为为止，已已具有一一定的规规模，并并初步
15、形形成LEED产业业链。1 大功率率LEDD1.1 LLED发发光原理理发光二极管管的核心心部分是是由p型半导导体和nn型半导导体组成成的晶片片，在pp型半导导体和nn型半导导体之间间有一个个过渡层层，称为为p-nn结。当当一个正正向偏压压施加于于PN结两两端时，在在某些半半导体材材料的PPN结中中，其PP区的载载流子浓浓度远大大于N区，非非平衡空空穴的积积累远大大于P区的电电子积累累（对应应NP结，情情况正好好相反），由由于电流流注入产产生的少少数载流流子是不不稳定的的，对于于PN 结系统统，注入入到价带带中的非非平衡空空穴要与与导带中中的电子子复合，饱饱和后，多多余的能能量则以以光的形形式
16、向外外辐射，从从而把电电能直接接转换为为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光1。这种利用注注入式电电致发光光原理制制作的二二极管叫叫发光二二极管，通通称LEED。因因此，LLED基基本的工工作机理理是一个个电光转转换的过过程，当当它处于于正向工工作状态态时（即即两端加加上正向向电压），电电流从LLED阳阳极流向向阴极时时，通常常，禁带带宽度越越大，辐辐射出的的能量越越大，对对应的光光子具有有较短的的波长，反反之具有有较长的的波长，因因此，由由于半导导体晶体体禁带宽宽度的不不同，就就发出从从紫外到到红外不不同颜色色、不同同强度的的光线2。半导体晶体体的原子子排列决决定禁带带，确定定发光特特性：=hcc/Egg；杂质质掺入形形成p 型区和和n
