半导体照明LED及其应用产业化.docx

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半导体照明LED及其应用产业化

半导体照明LED及其应用产业化

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半导体照明LED技术原理

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。

及传统照明技术相比，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，ToyoTaGosei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（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

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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。

　　3LED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0·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，随着材料及器件工艺的发展，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结的少数载流子及多数载流子复合时，就会发出可

见光、紫外光或近红外光。

到上世纪90年代，采用双异质结及多量子阱结构，提高了发光二极管的亮度，之后，又通过MOCVD技术在蓝宝石及碳化硅的

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、封装内部结构及包封材料。

如常规

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中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及金丝，键合为内引线及一条管脚相连，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。

由于管芯折射率及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及管芯结构、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

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，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常规产品的光量及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lnm。

上述芯片20mA注人下的电荧光光谱的半高全宽仅为18nm，并且随注入电字串6

流变化（2～120mA）仅为lnm。

同时，均匀性及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，是靠电子能跃迁产生光，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×lmm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字串8

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。

解决热问题的方法主要有两种:

提高器件内的量子效率，提高芯片的发光效率，从

根本上减少热量的产生；改进LED的结构，加快内部热量的散发，以有效降低芯片的温度。

在芯片制作及封装方面，我们主要采用以下方法帮助散热：

（1）芯片制作采用倒装焊的结构，LED的热量主要产生于很薄的有源层中，而封装完成后的器件，其热量则主要依靠向管座的热传导来散开。

蓝宝

石衬底的导热系数很小，因此普通正装的芯片结构会使管座及芯片有源层间产生很大的温差，导致管芯温度上升，从而影响器件的各项性能。

采用倒

装焊芯片结构后，利用Si热沉作为散热的中间导体，因为是热的良导体，其传热效果要远远好于正面出光的，靠蓝宝石来散热的片子；

（2）改进原有的LED封装结构，采取特殊的铝基板作为器件的承载平台，器件的反光及散热都由2mm厚的铝基板完成，同时将GaN芯片粘附在Al热沉

上，及φ5的LED仅靠碗状模具散热相比，更有利于热量的传输；字串4

　　（3）器件在集群使用时，必须采用散热片以及合适的固定方式，必要时还需加散热风扇。

　　（4）采用低电阻率、高导热性能的材料粘结芯片；在器件的内部填充柔性硅橡胶，在硅橡胶承受的温度范围内（一般为-40℃～200℃），胶体不会因

温度骤然变化而导致器件开路。

零件材料也应充分考虑其导热、散热特性，以获得良好的整体热特性。

　　4.3取光技术

　　从理论上讲，当我们在发光LED的p-n结上施加正向电压时，p-n结会有电流通过，电子和空穴在p-n结过渡层中复合会产生光子，但是光子并不能

100％地逸出到空气中。

　　主要原因如下：

（1）由光的传播理论中的光线折射定律可知，两种不同材料的界面在折射系数不同时，将出现光线被反射的现象，发光LEG的芯片及周围介质在折

射系数上不同，因此必然导致光线不能全部逸出；

（2）发光LED芯片为了施加工作电流和电压，必须固定在引线支架上，同时还需制作便于馈送电流的p型和n型两个电极，而这种能引出导线的电极

一般由不透光的金属构成，这就阻挡了一部分光线逸出；

　　（3）用作包封材料的环氧树脂，其透光存在一定的比率，并且在高温下随时间的延长会变黄，透光率衰减严重，导致一部分光线不能逸出；字串5

　　（4）环氧树脂的包封形状及其及空气在折射系数上不同，对光线的逸出效率有较大的影响。

　　目前，主要采用以下方法解决取光问题：

（1）采用芯片倒装技术（FLIPCHIP）在硅衬底上制作出供共晶焊的金导线层及引出导线层（超声金丝球焊点）；然后，利用共晶焊接设备把芯片

及硅衬底焊接在一起。

由于倒装后的蓝宝石衬底倒装在下面不影响向上发光，因而提高了出光率；

（2）在器件内部填充的柔性硅橡胶透明度高，在硅橡胶承受的温度范围内（一般为-40℃～200℃），胶体不会出现变黄现象；

　　（3）采取特殊的铝基板作为器件的承载平台，铝基板的反光增加了出光效果；

　　（4）采用蒙特卡罗统计模拟方法，对对装结构的出光分布进行模拟，在此基础上修改部分结构形式，有效地提高了光效。

　　5、技术路线

　　实现半导体照明用白光LED主要技术路线有以下三种：

（1）使用红、绿、蓝光三颗LED芯片，集成封装在单个器件之内，能够调整三颗LED的工作电流来产生宽谱白光；

（2）采用超高亮度的蓝色近紫外LED泵浦产生红、绿、蓝三原色，由这三种基色荧光来混合形成白光；字串7

　　（3）以高亮度LED产生的蓝光为基础，激发黄色无机荧光粉或黄色有机荧光染料，由激发获得的黄光及原有蓝光混合产生白光。

　　通常认为，采用三基色混光技术的产品性价比最低，目前尚不具备规模化生产的能力。

因而采用紫外泵浦光源的方法。

泵浦光源的性能（寿命、

稳定性等指标）以及相应荧光材料的寿命等问题都有待于进一步解决。

目前而言，只有蓝光泵浦光源加黄色荧光转换材料的技术路线最具实现产业化

的可行性。

　　6产业化前景

　　全球范围内基于高亮度氮化镓CaN基LED照明产业的发展，各国、各地区均给予了高度重视，并给出了中长期规划。

　　我国LED照明产业正处于机遇和挑战并存的时刻。

我们已有小规模批量生产并得到应用，成为城市照明景观灯，在进一步加大投入的基础上，努力

实现赶超，以求得未来全球广阔市场中的一席之地。

在今后几年内，应稳步推进相关技术的规模化、产业化、开拓、培育、发展和完善这一新生半导

体照明光源的产业链和市场，依靠市场应用来逐步促进技术本身的改良，并在这个关系国计民生的高科技战略发展领域内拥有足够的自主知识产权，

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以提升民族半导体工业的整体实力。