国内外大功率发光二极管的研究发展动态

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：大功率LED广义上是指单颗LED光源功率大于0.35W，广泛应用于景象照明等场所。本文立足于对大功率LED光学性能的研究，简要介绍了外延材料、芯片及工艺等技术对LED成品的影响。通过对国内外外延结构和封装等方面的浅要分析，得出MOCVD和MBE两种技术在LED领域的应用使得各种复杂结构的生长成为可能，同时，LED技术指标的不断提高，提高了大功率LED 器件性能和应用产品可靠性。

关键词：大功率发光LED;光学性能;封装技术

The Research And Development Of The High Power Light

Emitting Diode

Student majoring in Electronic information science and

technology Li Jiangtao

Tutor Deng Deli

Abstract：The high power LED broadly refers to a single LED whose light sourc e power than 0.35 w, It’s widely used in Scene illumination and etc. Based on the study of the high power LED’s optical properties of, briefly introduces the influence of extension materials, chip and producing technology on the led products. Through the analysis of domestic and international extension structure and packaging, etc, draw the conclusion that the two technology of MOCVD and MBE are applied in the LED fields makes the growth of complex structure possible,at the same time, as the technical indexes LED rise ceaselessly, the performance and the application of high power LED have been improved.

Key words：The high efficiency shines LED; Optical property; Encapsulation technology

引言：半导体照明是指用全固态发光器件作为光源的照明技术，包括使用半导体发光二极管(LED，Light Emitting Diode)或者有机半导体发光二极管(OLED，Organic Light Emitting

Diode)来作为光源。半导体照明是21世纪半导体技术发展与突破的关键，作为国家发展下一代照明的战略性技术，将带动以GaN 为代表的第三代宽禁带半导体技术的发展。

半导体照明是节能的“富矿”同样亮度下耗电仅为普通白炽灯的1/10，节能灯的1/2，使用寿命却可以延长100倍。随着LED 技术的快速进步和新的应用不断出现，节能效果已经显现。如景观照明(替代霓虹灯)节能70％、交通信号灯(替代白炽灯)节能80％，如能在2010年进入普通照明，节能的效果将更加显著。专家预测，在2005年至2015年间，我国半导体照明在特殊照明领域的应用可累计实现节电约4000亿度；2015年后半导体照明进入普通照明应用后，其每年节电量将超过1000亿度[1]。

半导体照明是安全、健康的“绿色光源”，环保效果明显。半导体照明光源直流、低压、无频闪和电磁干扰，无红外、紫外辐射，无荧光灯中的汞蒸汽等污染物，符合欧盟未来灯具生产标准，并通过节能降耗减少火力发电产生的C02、S02和粉尘的排放量。此外，半导体照明的数字化照明应用和丰富的视觉效果可以调节人的生理和心理、营造气氛，带来健康舒适的生活和工作环境。

目前半导体照明已从最初的手机、交通信号、显示屏、景观

装饰等特殊照明领域，开始进入电脑、电视等中大尺寸液晶背光，已成为当代信息社会“增光添彩”不可或缺的关键元器件。基于GaN基功率型蓝光LED的白光照明技术，其国际最高水平流明效率已经达到或者超过了荧光灯，最高已经超过1201m／W。当前半导体照明应用面临的主要挑战是从各个方面入手提高器件的流明效率。归纳起来，可以从以下几个方面来概括半导体照明技术与产业的现状与发展趋势：

一、现有的技术路线(蓝宝石衬底)在3-5年内不可能替代。依此路线，在2010年有望实现130—1501m／W目标，现有的外延材料、芯片及工艺等技术在3-5年内不会有新的突破性进展。衬底材料中蓝宝石和与之配套的垂直结构的衬底剥离技术仍将在较长时间内占统治地位。

二、目前LED最大的技术问题是两高两低，即提高内量子效率和出光效率，降低光衰(提高寿命)与降低成本。LED最终的功率效率是整个生产流程中电注入效率、内量国内超亮度及白光子效率、出光效率、封装效率和光转换效率的乘积。内量子效率和出光效率两大指标亟需大幅度提高。光效Droop(LED在大电流条件下出现光电效率的衰减)仍是比较大的问题。

三、目前解决出光效率的技术首选垂直结构和光子晶体(3-5

年)。垂直结构的LLO．LED(Laser Lift offLED)和低成本的Si 衬底的薄膜生长技术在短期内仍将保持其优势。激光剥离的大尺寸垂直结构LED是目前实现高亮度、大功率型白光LED的最佳方案。与传统工艺相比，不仅出光效率高、正向压降小、远场辐射好，而且其出光效率不会随管芯尺寸的增加显著降低，是提高内量子效率的首选。在大电流注入的情况下，垂直结构LED的光电转换效率衰减的趋势也比原有工艺缓很多[1]。光子晶体是提高外量子效率的必由之路。

四、未来技术趋势是非极性面外延(5-8年)、GaN衬底外延(8-10年)。非极性面生长技术能有效降低内建极化场，为提高内量子效率提供了一个新的选择，有望突破绿光LED高功率效率的问题。这使得实现暖色调以及可调色调的白光LED照明成为可能。GaN衬底生长技术能有效减少缺陷，控制非均匀性，是从根本上提高内量子效率的有效方法，预计需要8-10年能有所突破。

五、大功率LED封装是一个涉及到多学科(如光学、热学、机械、电学、力学、材料、半导体等)的研究课题。LED封装设计应与芯片设计同时进行，并且需要对光、热、电、结构等性能统一考虑。在封装结构上，可以采用大面积芯片倒装结构、金属线路板结构、导热槽结构、微流阵列结构等。为了解决芷片材料与散