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绿色照明简史系列之半导体照明(二)

来源:原创 编辑: 时间:2019-09-17 03:15
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LED照明技能道路及长期以来的改善道路

赤色、绿色、蓝色LED发光二极管是由磷、砷、氮等的III-V族化合物如砷化镓、磷化镓、磷砷化镓以及氮化镓等半导体制成的。LED照明技能道路包含了外延、最给力利来老网站衬底、封装、白光LED品种等多方面。

1、外延技能

外延片资料是LED的中心部分,LED的波长、正向电压、亮度或发光量等光电参数基本上都取决于外延片资料。外延技能和设备是外延片制造技能的要害,金属有机物气相堆积技能是成长III-V族、II-VI族和合金薄层单晶的首要方法。外延片的位错作为不发光的非辐射复合中心,对器材的光电功能具有十分重要的影响。近十多年业界经过改善外延成长工艺使得位错密度得到了较大的改善。可是干流白光照明用蓝光LED的氮化镓GaN与衬底间晶格和热膨胀系数的不匹配仍导致了很高的位错密度。一直以来,经过研讨LED外延技能来最大极限地下降缺点密度、进步晶体质量是LED技能寻求的方针。外延结构及外延技能研讨 :① Droop效应 经过多年的开展,LED的外延层结构和外延技能已比较老练,LED的内量子功率已可达90%以上,红光LED的内量子功率乃至已挨近100%。但在大功率LED研讨中,发现大电流注入下的量子功率下降较显着,被称为Droop效应。GaN基LED的Droop效应的原因比较倾向所以载流子的局域化,从有源区走漏或溢出,以及俄歇复合。试验发现选用较宽的量子阱来下降载流子密度和优化P型区的电子阻挡层都可减缓Droop效应。② 量子阱有源区 InGaN/GaN量子阱有源区是LED外延资料的中心,成长InGaN量子阱的要害是操控量子阱的应力,减小极化效应的影响。惯例的成长技能包含多量子阱前成长低In组分的InGaN预阱开释应力,并充任载流子“蓄水池”,再升温成长GaN垒层以进步垒层的晶体质量,成长晶格匹配的InGaAlN垒层或成长应力互补的InGaN/AlGaN结构等。外延结构及外延技能研讨中的其它详细技能有:

①衬底剥离技能 该技能首要由美国惠普公司在AlGaInP/GaAsLED完成,GaAs衬底的吸光大,剥离GaAs后,把AlGaInP粘贴在通明的GaP衬底上,发光功率进步近2倍。蓝宝石衬底激光剥离技能是根据GaN同质外延剥离开展的技能,运用紫外激光照耀衬底,消融过渡层剥离,2003年OSRAM用此工艺剥离蓝宝石,将出光率提至75%,是传统的3倍,并形成了出产线。

②外表粗化技能 因为外延资料的折射率与封装资料不同导致部分出射光将被反射回到外延层,外延外表粗化便是适当于改动出射视点防止出射光的全反射,进步出光率。工艺上直接对外延外表进行处理,简单损害外延有源层,并且通明电极更难制造,经过改动外延层成长条件到达外表粗化是可行之路。

③二维光子晶体的微结构 可进步出光功率,2003年9月日本松下电器制造出了直径1.5微米,高0.5微米的凹凸光子晶体的LED,出光率进步60%。

④倒装芯片技能 据美国Lumileds公司数据,蓝宝石衬底的LED约添加出光率1.6倍。

⑤全方位反射膜 除出光正面之外,把其它面的出射光尽或许全反射回外延层内,终究进步从正面的出光率。

2、衬底技能

常用的芯片衬底技能道路首要有已很多商品化或开端商品化的蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底三大类,还有研制中的氮化镓、氧化锌等。对衬底资料点评首要有以下方面:

① 衬底与外延膜层的结构匹配  两者资料的晶体结构相同或附近,则晶格常数失配小、结晶功能好、缺点密度低;

② 衬底与外延膜层的热膨胀系数匹配 热膨胀系数相差过大,将使外延膜成长质量下降,在器材作业进程中,还或许因为发热而形成器材的损坏;

③衬底与外延膜层的化学安稳性匹配 衬底资料要有好的化学安稳性,在外延成长的温度和气氛中不易分化和腐蚀,不与外延膜发生化学反应使外延膜质量下降;

④资料制备的难易程度及本钱的凹凸 产业化衬底资料的制备应简练,本钱不宜很高。衬底晶片尺度大使归纳本钱相对较低。

现在,已很多用于商品化的GaN基LED的衬底只要蓝宝石和碳化硅衬底。我国硅衬底技能现在取得了技能打破,正在尽力向大规模产业化运用开展。其它可用于GaN基LED的衬底资料还有离产业化还有适当一段间隔的GaN同质衬底、ZnO衬底。

①蓝宝石 是最早运用的LED衬底技能,产值大使其现在的相对本钱较低。蓝宝石衬底有许多的长处:首要,蓝宝石衬底的出产技能老练、器材质量较好;其次,蓝宝石的安稳性很好,能够运用在高温成长进程中;最终,蓝宝石的机械强度高,易于处理和清洗。蓝宝石作为衬底的缺点是:首要,晶格失配和热应力失配大,导致在外延层中发生很多缺点,一起给后续的器材加工工艺形成困难;其次,蓝宝石是一种绝缘体,无法制造笔直结构的器材,一般只在外延层的上外表制造N型和P型两个电极,使有用发光面积削减,一起添加了光刻和刻蚀工艺进程,使资料运用率下降、本钱添加。再有,为防止在P型GaN掺杂这个难题,遍及选用在P型GaN上制备金属通明电极来分散电流到达均匀发光,但通明电极将吸收30%左右的出射光,一起GaN基资料的化学功能安稳、机械强度较高,对其刻蚀需求较好的设备。此外,蓝宝石的硬度仅次于金刚石,对它进行切开、减薄和处理需一些较宝贵的设备,导致出产设备和本钱添加。蓝宝石的导热功能较差)并且需在衬底底部运用导热赋性就欠好的银胶来固晶,这些关于发热量多的大功率LED器材很晦气。

②碳化硅衬底 SiC衬底有化学安稳性好、导电功能好、导热功能比如蓝宝石衬底高出10倍以上)、不吸收可见光等杰出长处,有利于处理大功率型GaN基LED器材的散热问题。因而,SiC衬底资料运用程度仅次于蓝宝石,在半导体照明技能领域占重要位置。美国的CREE公司专门选用SiC资料作为衬底,其LED芯片两个电极各散布在器材的外表和底部,电流纵向活动,所发生的热量能够经过电极直接导出;一起这种衬底不需求电流分散层,因而不存在出射光被电流分散层的资料吸收的问题,进步了出光功率。可是,SiC衬底资料价格太高,晶体质量不如蓝宝石好,机械加工功能比较差的缺点。

③硅衬底 硅单晶是最常用的二极管、三极管及集成电路的半导体根底资料,出产历史悠久,本钱低价。因为大尺度开展最为老练,被看作是下降外延片本钱的最佳挑选,但因为晶格失配和热失配太大且难以操控,使根据硅衬底的LED质量较差,且成品率较低。其本钱与现在干流为6寸以下的蓝宝石衬底LED比较并不占优势并且光效也不如。现在,只要部分LED芯片选用硅衬底。硅衬底的芯片电极可选用两种触摸方法,分别是L型触摸和 V型触摸,经过这两种触摸方法,LED芯片内部的电流能够做成是横向活动的,或许也能够做成是纵向活动的。因为电流能够纵向活动,因而增大了LED的发光面积,然后进步了LED的出光功率。因为硅是热的良导体,所以器材的导热功能能够显着改善,然后延伸了器材的寿数。硅衬底的杰出缺点是:a)与GaN的晶格失配度差导致位错缺点密度大,內量子功率低,发光功率较低;b) 与GaN的热膨胀系数失配度差,导致在外延层成长的降温进程中龟裂。所以,大规模商业运用还需待机遇,一步步扩展商场占有率。

④氮化镓衬底 用于GaN成长的最理想衬底便是同质的GaN单晶资料,能够大大进步外延膜的晶体质量,下降位错密度,进步器材作业寿数,进步发光功率,进步器材作业电流密度。可是制备GaN体单晶十分困难,到现在为止还未有行之有用的商业化出产方法。

绿色照明简史系列之半导体照明

⑤ 氧化锌衬底ZnO之所以能成为GaN外延的候选衬底,是因为两者具有十分惊人的相似之处。两者晶体结构相同、晶格辨认度十分小,禁带宽度挨近。可是,ZnO作为GaN外延衬底的丧命缺点是在GaN外延成长的温度和气氛中易分化和腐蚀。ZnO半导体资料尚不能用来制造光电子器材或高温电子器材,首要是资料质量达不到器材水平缓P型掺杂问题没有得到真实处理,合适ZnO基半导体资料成长的设备没有研制成功。

绿色照明简史系列之半导体照明

3、封装技能

封装技能道路首要有如下图所示的正装结构、笔直结构和倒装结构三种:

绿色照明简史系列之半导体照明

①正装结构封装 首要是蓝宝石衬底的LED封装,归于最前期、最老练的封装技能。可是,因为蓝宝石是热和电的不良导体,一般只在外延层的上外表制造N型和P型两个电极,形成了出光面的有用出光面积削减,一起需添加光刻和刻蚀工序,使资料运用率下降,本钱添加。因为P型GaN掺杂困难,遍及选用在P型GaN上制备金属通明电极来分散电流,以到达均匀发光。可是通明电极一般要吸收约30%~40%的出射光。蓝宝石的导热功能欠好并且制造器材时需在底部运用银胶固晶,这种银胶的传热功能也很差。商业化的LED多选用金线将芯片的PN结与支架正负极衔接的正装封装结构,跟着功率不断进步,光衰较大和光淬灭等失效问题相继出现,因而,正装封装结构不合适大功率LED器材。

②倒装结构封装 LED是温度的灵敏器材,芯片温度越高越晦气。为改善蓝宝石衬底的LED正装封装的上述缺点,可选用倒装封装。首要,倒装芯片的蓝宝石衬底作为出光面,没有电极和电流扩上层遮挡出射光和吸收光,还可便利地在导热层进行反射处理,无需正装结构时在外延层附加反射工艺,这些在整体理论上可使外量子功率进步30%左右;其次,外延层以及其上外表的两个电极倒装直触摸摸散热资料,热传输间隔短,散热面积大,更利于热传导,大大进步芯片的散热才能,下降了PN结温,然后下降了载流子的非辐射复合几率,进步了辐射复合几率,然后使内量子功率、发光功率进步,一起也在寿数进程中下降了光效阑珊速度而延伸有用寿数,并且散热才能增强使得产品大电流冲击的安稳性进步,也使蓝宝石衬底的LED器材的功率上限能够进步;再次,倒装结构可选用无金线封装,处理了因金线虚焊或触摸不良引起的不亮、闪耀等问题,进步产品寿数;倒装装置运用进程愈加便利便利,防止装置形成的质量问题或危险等。倒装结构虽然有这么多长处,可是添加了固晶在精度方面的要求,晦气于进步良品率。

③笔直结构封装 关于散热好及导电性好的衬底资料例如碳化硅衬底或硅衬底,原理上来说,能够选用正装或倒装结构,但这样就白白浪费了自身其导热性和导电性杰出的优势。因而,这些资料的衬底都选用了笔直结构封装,即两个电极散布在外延层的上外表和衬底的底部,电流呈纵向活动,活动中天然分散到整个芯片,一起所发生的热量经过底部电极直接导走,使PN结温度低,然后下降了载流子的非辐射复合几率,进步了辐射复合几率,使内量子功率、发光功率进步,一起也在寿数进程中下降了光效阑珊速度而延伸有用寿数,并且衬底的导热性和导电性好,使得产品受大电流冲击的安稳性进步,有利于大功率LED器材制造;因为出光面不需求电流分散层,因而,光不会被电流分散层的资料所部分吸收,又进步了出光功率,外量子功率高。但笔直结构的缺点是出光面需选用一条金线封装,会遮挡部分光和减小发光面积,并且有必定的金线虚焊或触摸不良引起的不亮、闪耀等问题,还有外延层需依托衬底导热散热,这两点在原论上要比倒装结构差一些。因而,倒装与笔直结构各有优势,但无论如何,笔直结构比正装结构有较大优势。

作者简介

李自力,教授级高级工程师,广东省商场监管局缺点产品管理中心掌管日常作业副主任。2018年获《我国规范立异奉献三等奖》,牵头拟定了11项照明国家规范,作为世界IEC智能照明规范专家组成员参加世界IEC规范拟定,参加国家重点研制方案和“863”科研项目评定,并参加全国CCC照明指定试验室核对。