大功率LED芯片材料研究进展分析概要

发布于:2021-09-23 10:08:18

大功率LED芯片材料研究进展 分析
小组成员:余楠仪 吕品

? LED简介 ? 大功率LED芯片简介 ? 大功率LED芯片(GaN)研究情况 ? 研究目标和结语

什么是LED?

什么是LED
LED的心脏是一个半导体的晶片,晶片的一端附着在一个 支架上,是负极,另一端连接电源的正极,整个晶片被环 氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成,一部分是P 型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导 体,在这边主要是电子。 LED 是英文单词Light Emitting Diode的缩写,中文意 思是发光二极管,是一种能够将电能转化为可见光的固 态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。 这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个“P-N 结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子就会被 推向P区,在P区里电子跟空穴复合,然后就会以光子的形式 发出能量,这就是LED发光的原理。而光的波长(光的颜 色),是由形成P-N结材料决定的。

发光二极管的基本结构
球透镜 环氧树脂 有源层
L

N型限制层 P层 有源层 P型限制层 波导层 微透镜

N层 发光区 (a)正面发光型 (b)侧面发光型

LED发展史
? 1965年,全球第一款商用化发光二极管诞生,它是用锗材 料作成的可发出红外光的LED。 ? 1968年,LED的研发取得了突破性进展,利用氮掺杂工艺 使镓砷磷器件的效率达到了1流明/瓦,并且能够发出红光、 橙光和黄色光。 ? 到了1971年,业界又推出了具有相同效率的磷化镓绿色芯 片LED。 ? 80年代早期的重大技术突破是开发出了铝镓砷 LED,它能 以每瓦10流明的发光效率发红光 ? 1994年,中村修二在氮化镓基片上研制出了第一只蓝色发 光二级管 ? 从20世纪90年代中期开始,许多广告、体育和娱乐场所开 始应用LED大屏幕显示。 ? 现在白光LED的发光效率已经达到130 lm/W,实验室研究 成果甚至可达到300lm/W
注:流明即光通量的单位。发光强度为1坎德拉(cd)的点光源,在单位立体角 (1球面度)内发出的光通量为“1流明”,英文缩写(lm)。

大功率LED
大功率LED是指拥有大额定工作电流的发光二极管。 普通LED功率一般为0.05W、工作电流为20mA,而 大功率LED可以达到1W、2W、甚至数十瓦,工作电 流可以是几十毫安到几百毫安不等。目前大功率 白光LED的转换效率还较低,光通量较小,成本较 高,因此决定了大功率白光LED短期内的应用主要 是一些特殊领域的照明,中长期目标才是通用照 明。

制造大功率LED芯片的方法
AlGaInN碳化矽(SiC)背面出光 矽底板倒装法。首先制备出适合共晶 蓝宝石衬底过渡法。按照传统 陶瓷底板倒装法。先利用 法。美国 Cree 公司是全球唯一采用 大尺寸法。通过增大单体 LED的有效发 焊接的大尺寸 LED 芯片,同时制备出相 的 InGaN (氮化镓铟)芯片制造方 LED 芯片通用设备制备出具有适 SiC 衬底制造 AlGaInNTCL 超高亮度 LED 光面积和尺寸,促使流经 层的电流均匀 应尺寸的矽底板,并在矽底板上制作出 法在蓝宝石衬底上生长出PN结后, 合共晶焊接电极结构的大出光面 的厂家,几年来其生产的 分布,以达到预期的光通量。但是,简单 供共晶焊接用的金导电层及引出导电层 将蓝宝石衬底切除,再连接上传统 积的 LED芯片和相应的陶瓷底板, AlGaInN/SiCa 芯片结构不断改进, (超声金丝球焊点),再利用共晶焊接 地增大发光面积无法解决散热问题和出光 的四元材料,制造出上下电极结构 并在陶瓷底板上制作出共晶焊接 亮度不断提高。由于 P型和N型电极分 设备将大尺寸 LED 芯片与矽底板焊接在 的大尺寸蓝光LED芯片。 问题,并不能达到预期的光通量和实际应 导电层及引出导电层,然后利用 别位于芯片的底部和顶部,采用单引 一起。 共晶焊接设备将大尺寸LED芯片 用效果。 线键合,相容性较好,使用方便,因 与陶瓷底板焊接在一起。 而成为 AlGaInNLED发展的另一主流 产品。

制作大功率LED材料目前面临的问题
芯片在大电流注入或升温过程中会有出现内量子效 率(电子转化为光子的效率)急剧下降。内量子效 率则取决于 LED 的内部多量子阱微观结构及晶体 材料特性和质量,内量子效率的研究是目前 LED 发 光效率研究的切实而有效的突破点。 在各种工艺条件下,材料的损伤变形、应力和缺陷的演 变规律以及对器件性能的影响等缺乏深入和系统的研究, 使得对大功率 LED 芯片设计和制造工艺中材料选择、 结构设计、工艺参数控制等进行优化设计缺乏实验数据 的支撑。

目前以GaN基为代表的解决大 功率LED芯片上诉问题的研究情况

LED设计领域GaN基三种高效率 LED 芯片的设计 结构,分别是基于双光子晶体的LED 芯片,基于 微球模型的 LED 芯片,基于激光剥离衬底的大功 率 LED 芯片。研究者通过涉及到光子晶体理论, 蒙特卡罗理论及激光剥离理论,并在此基础上提 出新的设*峁梗龇抡娣治鼋峁=峁な担 双光子晶体可以提供较完善的反射层,出射层。 微球 LED 可以利用大尺寸表面结构来大大提高 LED 芯片的外量子效率。基于激光剥离衬底的大 功率 LED 可以实现较好散热效果和功率。

沟槽结构 LED 芯片,研究者研究了同合金选择及 热处理工艺对 p 型 GaN 欧姆接触的比接触电阻的 影响,发现 500℃退火处理可有效降低比接触电 阻率。对 GaN 外延层的干法刻蚀进行了较为全面 的工艺实验,确定了适于新型沟槽结构 LED 芯片 制备的刻蚀工艺参数。通过标准 LED 芯片制备流 程制得新结构的 LED 芯片并对其进行光学电学特 性测试,发现该种结构的 LED 芯片较之普通结构 LED 芯片在光功率随注入电流增加而饱和的特性 上有明显优势。

采用蓝宝石衬底上形成的周期性分布的半球 形图形打破 GaN 材料与蓝宝石衬底之间的 全反射界面,采用 ITO(Indium Tin Oxides 铟锡金属氧化物) 透明导电薄膜上形成的 周期性分布和随机分布的圆形和六边形图 形打破 p-GaN 与 ITO透明导电层以及 ITO 透明导电层与空气之间的全反射界面,从 而显著的提升 LED 芯片光功率。

GaN 基 LED 芯片从上世纪 90 年代发展至今,许多的理论和 技术仍处于摸索发展中,尽管前面讲述有部分研究在 LED 芯 片结构的优化设计中取得了一些研究成果,但 GaN 基大功率 LED 芯片仍有诸多问题亟待解决。 在 LED 芯片的光学建模研究上,当芯片中微结构尺寸与波长 处于相同量级时,蒙特卡罗光线追踪模型就无法准确仿真该芯 片的出光现象,还需建立有效的全波电磁场有限元模型,而电 磁场模型中需要解决偏微分方程的收敛性及求解效率等问题。 但是,怎样正确认识GaN基在大功率

LED芯片中起到的作用? 监管有研究表明新型沟槽结构 LED 芯片在某些特性上较之普 通结构LED 芯片有所改善,但是跟计算结果仍有差距,应进一 步研究该差异产生的原因,并尝试将该沟槽结构应用于超大尺 寸 LED 芯片的制备。要真正实现大功率高亮度的 LED,不能 将芯片的设计和制备孤立出来进行研究,而应该对 LED 外延、 芯片、封装和应用进行协同设计,才能更有效的提高整体 LED 器件的性能。

研究目标
研究表明LED发展的目前的目标主要集中 在两个方面:一是高功率,通过增加单个 芯片的尺寸面积达到,或是组合使用大功 率单个LED芯片。二是高效率,在内部量 子效率无法提高的情况下,尽可能提高外 量子效率,是产生的光子有效地辐射出来。 所以也就是将大功率LED芯片材料的改进 将是发展的主要方向。

结语
半导体照明被认为是 21 世纪最有可能进入 普通照明领域和最具发展前景的高技术领 域之一,也是各国竞相争夺的技术与产业 战略制高点。LED 具有电光转换效率高、 节能、环保、寿命长、体积小等优点,被 誉为二十一世纪的绿色光源,如果能够大 规模的应用于传统照明领域将得到十分显 著的节能效果,对于低碳经济和资源节约 型社会的发展具有重要的战略意义。

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