氮化镓基半导体照明LED及其应用产业化

氮化镓基半导体照明ＬＥＤ及其应用产业化

摘要：文章分析了照明用半导体ＬＥＤ的外延、芯片及封装等相关技术，介绍了在光谱特性、散热性能、出光技术等方面的探索，提出了一些具体的解决方案，并对ＬＥＤ的产业化生产进行了讨论。

关键词：半导体照明封装

1 前言

发光二极管（Ｌｉｇｈｔ－ＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ，ＬＥＤ）是可以直接将电能转化为可见光和辐射能的发光器件，具有工作电压低、耗电量小、响应时间短、光色纯、结构牢固、抗冲击、耐振动、性能稳定可靠、重量轻、体积小等一系列特性。近年来，LED发展突飞猛进。其中基于氮化镓ＧａＮ材料的高亮度功率型半导体照明是化合物半导体乃至整个光电子和半导体产业界的研发热点，发展前景极其广阔。与传统照明技术相比，这种新型光源具有高效节能、长寿命、小体积、易维护、环保、安全、耐候性好等优势，被公认为是极具发展前途的照明光源。随着北京市各项奥运工程的深入开展，新一代城市景观照明灯、大屏幕全彩显示屏、户内外公共场所信息指示牌等众多应用将进一步加大对高亮度半导体照明光源的需求量，LED在民用照明领域内的应用也将进一步得到推广。

2、国内外研发进展

在高亮度及功率型ＬＥＤ研发方面居于国际先进水平的公司主要分布在美国、日本、欧洲和韩国，代表性的公司有：美国的Ｌｕｍｉｌｅｄｓ，Ｃｒｅｅ，Ａｇｉｌｅｎｔ公司，日本的Ｎｉｃｈｉａ，ＴｏｙｏT ａＧｏｓｅｉ公司，欧洲的Ｏｓｒａｍ，Ｐｈｉｌｉｐｓ公司等。这些跨国大公司多有原创性的专利，引领技术潮流，占领绝大多数的市场份额。台湾的一些光电企业，如ＡＥＴ，Ａｒｉｍａ，Ｅｐｉｓｔａｒ，Ｅｐｉｔｅｃｈ等也起步较早，在下游工艺和封装以及上游材料外延方面具备了若干自主知识产权，也占有一定的市场份额。最近１~２年内，韩国ＬＧ，Ｉｎｎｏｔｅｃｈ，Ｓａｍｓｕｎｇ，Ｅｐｉｐｌｕｓ，Ｅｐｉｖａｌｌｅｙ等公司的相关技术优势更加突出。我国在功率型ＬＥＤ芯片，特别是ＧａＮ基高亮度蓝绿色、紫色管芯芯片及半导体白光照明灯具方面的研究正在迅速发展。代表性的企业主要有：方大国科、华光、蓝宝、路美、Ｐｏｄｉｕｍ、厦门三安、上海蓝光等。

在传统的蓝绿色ＬＥＤ市场中，此种ＬＥＤ在我国特别是珠江三角洲地区有大量的封装厂和产品销售，但是芯片大多由台湾和韩国进口。由于该类低价芯片一般为功率水平较低的低档产品（７０ｍＷ电功率输入

下，蓝绿光的发光功率为１~３ｍＷ），在车载仪表显示、高品质大屏幕应用等方面不具有竞争力。在各种ＬＥＤ照明领域，其产业链正处于初步发展的阶段。世界各国、各地区的生产厂商均在加大研发力度。而我国在该领域则刚刚起步，面向半导体照明的大功率管芯产品几乎还是空白。

3、ＬＥＤ技术原理

组成物质的基本粒子、原子和电子在电场的作用下会发生能态跃迁，当它们从高能态回到低能态时，多余的能量会以光的形式释放出来，产生电致发光的现象。20世纪20年代，法国科学家Ｏ·Ｗ·ＬＯＳＳＯＷ就发现了碳化硅材料的电致发光现象。直到20世纪40年代，随着材料与器件工艺的发展，才研制成功砷磷镓发光二极管。ＬＥＤ的核心发光部分是由ｐ型和ｎ型半导体构成的ｐ-ｎ结管芯，当注入ｐ-ｎ结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光、紫外光或近红外光。到上世纪90年代，采用双异质结与多量子阱结构，提高了发光二极管的亮度，之后，又通过ＭＯＣＶＤ技术在蓝宝石与碳化硅的衬底上成功生长了具有器件结构的氮化镓基的发光二极管外延片，制造出亮度很高的蓝绿光发光二极管。

实际上，ＬＥＤ产生的所有光并不是都可以释放出来的，这主要取决于半导体材料的质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料。如常规Φ５ｍｍ型ＬＥＤ封装是将边长０．２５ｍｍ的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝，键合为内引线与一条管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封。反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。顶部包封的环氧树脂做成一定形状。由于管芯折射率与环氧树脂折射率相差较大，致使管芯内部的全反射临界角很小，其有源层产生的光只有小部分被取出，大部分在管芯内部经多次反射而被吸收，导致光的过多损失。

选择不同折射率的封装材料及封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的，发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。若采用尖形树脂透镜，可使光集中到ＬＥＤ的轴线方向，相应的视角较小；如果顶部的树脂透镜为圆形或平面形，其相应视角将增大。

一般情况下，ＬＥＤ的发光波长随着温度变化为０．２~０．３ｎｍ/℃，光谱宽度也随之增加，影响颜色鲜艳度。另外，当正向电流流经ｐ-ｎ结，发热性损耗使结区产生温升，在室温附近，温度每升高１℃，ＬＥＤ的发光强度会相应减少１％左右。目前，很多功率型ＬＥＤ的驱动电流可以达到７０ｍＡ、１００ｍＡ甚至１Ａ级，需要改进封装结构，借助全新的ＬＥＤ封装设计理念和低热阻封装结构及技术，改善热特性。

４ＬＥＤ关键技术问题

4.1 光谱特性

要作为照明光源，半导体ＬＥＤ常规产品的光通量与白炽灯和荧光灯等通用性光源相比，目前距离甚远。因此，关键要将其发光效率、光通量提高至现有照明光源的等级。半导体照明ＬＥＤ所用的外延材料采用ＭＯＣＶＤ的外延生长技术和多量子阱结构，其特点是高光功率输出、优异的光谱特性。光谱特性是指发光波长的稳定和极窄的光谱半高宽。发光二极管中心波长随注入电流变化是外延片材料制备过程中遇到的关键难题之一。众多商品化的ＬＥＤ芯片发光的中心波长一般随注入电流增大而造成发光波长的严重不稳定性。此外，ＬＥＤ芯片电致发光光谱的半高宽也是衡量外延片质量的重要参数之一，半高宽越窄，发光颜色越纯。高质量的ＩｎＧａＮ/ＧａＮ多量子阱有源区生长是ＧａＮ材料研究中的难点，也是各研究小组和生产厂商的核心技术。采用了新型量子阱结构的芯片，在注入电流由２~１２０ｍＡ变化时，中心发光波长移动小于１ｎｍ。上述芯片２０ｍＡ注入下的电荧光光谱的半高全宽仅为１８ｎｍ，并且随注入电流变化（２~１２０ｍＡ）仅为１ｎｍ。同时，均匀性与重复性是外延片产业化技术中的重要评价指标。实现规模化生产、要求在高质量外延片的产业化能力方面须具有雄厚的技术基础和保证，从而使外延片的成品率大大增加。

4.2 散热技术

传统的照明器件散热问题很容易解决，白炽灯、荧光灯在使用过程中灯丝达到非常高的温度，发出的光包含红外线，可以通过辐射的方式散发热量。如白炽灯泡８５％~９０％的热量是通过辐射散出的。但是ＬＥＤ的发光机理不同，是靠电子在能带间跃迁产生光，其光谱中不包含红外部分，所以其热量不能靠辐射散出，因此，ＬＥＤ又被称为“冷”光源。但是，目前ＬＥＤ的发光效率仅能达到１０％~２０％，还有８０％~９０％的能量转换成了热量。由于传统ＬＥＤ的管芯功率小，需要散热也小，因而散热问题不严重。目前制作的大功率白光ＬＥＤ的芯片尺寸大多在１ｍｍ×１ｍｍ以上，单个器件的耗散功率在１Ｗ以上，如果简单地把封装尺寸也按比例放大，芯片的热量不能散出去，会加速芯片和荧光粉的老化，还可能导致倒装焊的焊锡熔化，使芯片失效。而且，当温度上升时，ＬＥＤ色度变差，随着蓝光波长变动，ＹＡＧ荧光粉吸收率下降，总发光强度会减少，白光色度变差。同时将会因为散热不良而导致芯片结温迅速上升，环氧碳化变黄，从而加速器件的光衰直至失效，甚至因为迅速的热膨胀所产生的应力造成开路而失效。因此，对于大工作电流的半导体照明ＬＥＤ芯片，低热阻、散热良好及低应力的新的封装结构是技术关键。解决