半导体照明技术进展

LED外wenku.baidu.com技术 LED外延技术
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LED外延材料的质量，很大程度上由衬底与外延材 料的晶格匹配程度有关，经过多年努力，InGaN/蓝 宝石的外延层位错从1010个/cm2下降到108个/cm2， 希望能下降到105个/cm2，或更好，还有较大空间。
二、 InGaN
MOCVD设备的发展 InGaN MOCVD设备的发展
MOCVD设备
2004
12
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时间 容量(2″)
2003
6~8
2005
15
2006
21~24
2007
30~42~45
AIXTRON VEECO 中电48所
前
言
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霍卢内阿克(N.Holonyak) 1、1962年，霍卢内阿克(N.Holonyak)制成了第一支 霍卢内阿克(N.Holonyak)制成了第一支 实用的红光LED LED灯 实用的红光LED灯。 N.Holonyak“我们坚信LED会发展成 2、1963年2月， N.Holonyak 实用的白色光源”并预言到：“将来的灯可以是铅笔 尖大小的一块合金，它实用且不易破碎、决不会烧毁、 比起今天通用的灯泡来说，其转换效率至少大十倍。”
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LED汽车灯 汽车灯
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二、LED液晶显示背光源发展趋势从小到大非常明确。
2005年3.5寸已全面使用LED背光，7寸屏2006年已达30％， 2007年7～ll寸已用LED背光。12～ 15.4英寸的笔记本电脑LED背 光有较大增长。苹果公司已宣布NB全用LED背光源。 因具有超薄和节电的优点。接下来应是监视器和电视机。 三星在2006年8月在欧洲推出$3000元的40英寸LED背光液晶电视 数百台。作为研发Osram和三星均制成82英寸的LED背光样机， 0sram后来还研制成102英寸的样机。 国内海信、京东方和上广电已有36～46英寸LED背光的LCD 电视样机。 每年6500万台监视器和800万台平板电视机的总产量是LED 背光源的潜在市场。
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大 功 率 LED 路 灯 太 阳 能 LED 路 灯
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我国约有2亿盏路灯这一广阔市场，理应特别重视， 加上已有部分企业产品出口，市场前景更为看好，2010 年大规模应用市场将起动。目前产品属初始阶段，良莠 不齐，主要问题是散热不好，不仅发光效率下降，而且 光衰问题较严重，甚至失效。有关部门要抓紧标准制定， 出厂前要进行光衰试验，减小热阻，充分散热，真正做 到高效、长寿命，以利市场的培育和健康发展。
l、蓝光芯片+YAG荧光粉 2、RGB LED 3、紫外芯片+三基色荧光粉 通用 LED背光 通用
YAG荧光粉 YAG荧光粉：是指钇铝石榴石晶体的意思。 YAG荧光粉，主要原料是氧化铝 荧光粉 与氧化钇，以及少量氧化铈。
半导体照明应用
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位 错 示 意 图
一、InGaN外延衬底性能价格比较
InGaN外延衬底性价比较
衬底材料 晶格失配度 界面特性 化学稳定性 导热性 热失配度 导电性 光学性能 机械性能 价格 Al2O3 差 良 优 差 差 差 优 差 中 SiC 中 良 优 优 中 优 优 差 高 Si 差 良 良 优 差 优 差 优 低 ZnO 良 良 差 优 差 优 优 良 高
型号 Φ5，I=20mA 食人鱼 Snap 50—70—150mA 功率LED≥350mA
功率LED的技术要求： 功率LED的技术要求： LED的技术要求 1、热阻要低，散热好，降低结温，提高发光效率； 2、封装结构要有高的取光效率。
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半导体照明技术进展
目
一、前言 二、LED外延技术 外延技术 三、LED芯片技术 芯片技术 四、LED封装技术 封装技术 五、半导体照明应用 六、市场前景
录
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2007年 2007年 2005年
AIX2800G4 K465I
42×2″ 45×2″
6片机通过“863”验收
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国产MOCVD面临的困境 面临的困境 国产 (1) 国产MOCVD设备仍处于技术跟踪阶段，设备产业化水平与生产需要不相 适应。目前，国内研制的MOCVD设备最大产能为6片(48所的GaN-MOCVD)。然 而，截至到2007年12月，在国外推出的最新型MOCVD设备中，AIXTRON已推 出行星式反应器的42片机(AIX2800G4 HT)和CCS反应器的30片机(CRIUS)。由 于产能的差距，小批量的MOCVD设备外延片生产成本较高，大大降低了设备的 性价比，使得国产设备刚研发出来就已经落后了。量产企业对单批产能的最低要 求是在30片以上。 (2) 设备造价高，应用风险大，多数厂商更愿意采购技术成熟的进口设备 MOCVD设备的造价昂贵，生产型MOCVD设备的售价高达1000~2000万元。厂 商对此类设备的采购均十分谨慎，更愿意采购技术成熟、售后服务完善的进口设 备，使得国产MOCVD设备的推广处于尴尬的境地。 (3) 自主创新有待加强，国产MOCVD设备面临专利壁垒 目前，国产 MOCVD设备的研发还处于“消化、吸收”阶段，而国外主流商用机型已建立严 密的专利保护，如AIXTRON的Planetary Reactor反应器、THOMAS SAWN的 CCS(Close Coupled Showerhead Reactor)反应器、VEECO的Turbo Disk反应 器和日本SANSO公司双/多束气流(TF)反应器均是自己独有的专利技术，国产 MOCVD设备产业化面临专利壁垒的考验。
显示屏、交通信号灯、手机、景观照明、便携式照 明等应用已趋于成熟。 近年来三个主要应用方面： 一、汽车灯 汽车上信号灯和车内照明应用技术上已趋
成熟，并很快推广应用，下一个主要增长点将是汽车前照灯。 2007年奥迪A8 6.0首先使用LED作为汽车前照灯。奥迪R8用 LED作为高低束光前照灯。丰田Luxus LS600h用作低束前照灯。 2008年夏，通用Cadi1lac也将采用LED作为高低束前照灯。每年 6000万辆汽车总产量说明该市场还有很大成长空间。
一、散热结构
公式为：R=L/(λ•S)。器件热阻是各结构层热 阻之和，应符合如下设计原则： 1、层数少； 2、每层要薄； 3、层面积要大； 4、材料导热系数要高。
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二、热管技术：适合于组件散热 三、光学设计：反光杯，光学透镜，光子晶体 四、功率型白光LED技术
LED芯片技术 LED芯片技术
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1、衬底激光剥离技术0Sram发展，提高出光效率75％， 约为传统的三倍。国内北大等多家单位已掌握此技术， 且已投入生产。 2、表面粗化或纹理化：腐蚀或改变外/延条件形成，可 提高发光效率3 0—5 0％。 3、倒装芯片：提高散热效率，Lumi1eds开发增加出光 1.6倍。 4、IT0：均匀电流注入和提高出光效率，可提高60％。
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GaN 优 优 优 优 优 优 优 中 高
AlN 优 优 优 优 优 优 优 中 高
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Sapphire：2007年大约为500万片2英寸片用量， 2010年用量约为1000万片。2007年底日本昭和电工开 始采用4英寸片进行生产。 碳化硅：美国Cree公司于2007年5月展示了4英寸 零位错单晶。国内山东大学晶体研究所3英寸已研制成 功。中科院物理研究所2英寸直径晶体研制成功，位错 密度<100个/cm2。 氧化锌：一般用水热法制备，国内有上海光机所 等多家单位研制成功。
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LED背光源 背光源
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三、半导体路灯目前路灯应用市场已经起动，原因 有以下几个方面：
1、在中间视觉条件下，目前路灯大量采用的钠灯光源， 其效率比明视觉条件下测量的效率要低30％，而LED由于是全 光谱，蓝、绿光部份效率会有较大增加，所以总效率会提高 40％，目前取代钠灯已能节电30～50％，符合国家节电、减 排政策； 2、寿命长，可免维修费用。由于驱动电流小，电缆、变 压器和工程费用也相应减少； 3、白光下视感和分辨率都较单色光黄光下有所提高； 4、由于耗电少和驱动电压低，易与光伏电池组成太阳能 路灯； 5、路灯由政府部门建设和管理，较易推广。
三、外延工艺
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1、Buffer Layer：目的降低位错密度； 2、Si Substrate：硅衬底GaN蓝光LED南昌大学材料研究 所制得460nm LED 20mA 6～1OmW已于2008年4月产业化。 3、PSS：图形衬底外延技术缺陷减至四分之一，外量子 效率提高43％。 4、日本昭和电工发展了一种新工艺它将通常的MOCVD和 等离子体物理淀积(PPD)混合，提高了晶体完整性，消除 了MOCVD工艺产生的微粒，提高了生产的稳定性(Run to Run和Piece to Piece之间)，大大提高了生产效率。
在光子晶体中是由光的折射率指数的周期性变化产生了光带隙结构， 从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的运动。
LED封装技术 LED封装技术
应用 指示灯 信号灯 照明
食 人 鱼 LED
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时间 1962年～ 1989年 90年代 新世纪
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氮化镓：波兰华沙高压研究中心TOPGaN公司在极 端生长条件15000大气压1600℃获得Φ=10mm单晶，切片 得20～30片，位错密度100个/cm2。中科院物理所用熔 盐法在<1000℃和常压下长成可实用的GaN单晶。 2003年4月日本住友电工用HVPE法生产GaN单晶衬 底。 南京大学国内首先制成2英寸HVPE法生产低位错 GaN衬底。 2007年4月日本日立电线用间隙形成剥离法制成了 3英寸GaN晶片。 氮化铝：美国华盛顿Crystal IS公司于2006年5月 制成了2英寸AlN衬底。
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5、光子晶体(Photonic Crystal)：松下电器的二维 光子晶体，出光提升1.7～2.7倍。 6、金属垂直光子晶体结构(MVP)旭明公司(Semi)达 到90～1O0 1m/W。 7、底部金属反光和侧面光利用。