gan基高亮度白光发光二极体

GaN基 高亮度白光發光二極體-照明領域的又一次革命葉國光半導體發光二極體及其發展歷史發光二極體 Light-EmittingDiode 是由數層很薄的摻雜半導體材料製成。當通過正向電流時， n區電子獲得能量越過 PN結的禁帶與 p區的空穴複合以光的形式釋放出能量 。發光效率 lm/w12.555發光二極體的發展年代 發光顏色 材料 發光效率 lm/w1965 紅 Ge 0.11968 橙、黃 GaAsP 11971 綠 GaP 180年代 紅 AlGaAs 1090年代 初 紅、黃 GaAlInP 10090年代 藍、綠 GaInN 5090年代 藍 GaN 200第三代 GaN半導體材料特點 寬頻隙化合物半導體材料，有很高的禁帶寬度（ 2.3 6.2eV)，可以覆蓋紅、黃、綠、藍、紫和紫外光譜範圍 ，是到目前為止其它任何半導體材料都無法達到的 高頻特性，可以達 到 300GHz（矽為 10G，砷化鎵為 80G） 高溫特性，在 300 正常工作（非常適用於航太、軍事和其它高溫環境） 電子漂移飽和速度高、介電常數小、導熱性能好 耐酸、耐鹼、耐腐蝕（可用於惡劣環境） 高壓特性（耐衝擊，可靠性高） 大功率（對通訊設備是非常渴望的）GaN固體光源的應用 半導體白光照明 車內照明 交通信號燈 裝飾燈 大螢幕全彩色顯示系統 太陽能照明系統 其他照明領域 紫外、藍光雷射器高容量藍光 DVD、鐳射列印和顯示、軍事領域等LED照明的優勢 發光效率高，節省能源 耗電量為同等亮度白熾燈的 10%-20%，螢光燈的 1/2。 綠色環保 冷光源，不易破碎，沒有電磁幹擾，產生廢物少 壽命長 壽命可達 10萬小時 固體光源、體積小、重量輕、方向性好 單個單元尺寸只有 35mm 回應速度快，並可以耐各種惡劣條件 低電壓、小電流半導體照明是 21世紀最具發展前景的高技術領域之一 日本、美國、歐盟、韓國等國家和地區都相繼制定了本國的半導體照明計畫 我國科技部於 2003年 6月成立 “國家半導體照明工程 ”協調領導小組，在 “十五 ”期間，從國家層面推出 “半導體照明工程 ” 如果我國 1/3照明應用半導體照明，每年可以節約的電量 1000億度，多於一個三峽水電站的發電量（ 800億度）地區條件 效益 條件 能源節約 降低二氧化碳排放 美國 5白熾燈及 55日光燈被白光 LED取代 每年節省 350億美元電費。 每年減少 7.55億噸二氧化碳排放量。 日本 100白熾燈被白光 LED取代 可少建 1-2座核電廠。 每年節省 10億公升以上的原油消耗。 臺灣 25白熾燈及 100日光燈被白光 LED取代 節省 110億度電，約合1座核電廠發電量。 半導體照明具有巨大的市場潛力預計到 2005年全球 LED市場需求量約為 2000億隻，市場需求將以每年 30%的速度遞增，世界許多公司都積極投入 LED的研發生產。主要有日本的 日亞化學、住友電工、豐田合成、羅沐、東芝和夏普，美商Cree，全球 3大照明廠奇異、飛利浦、歐司朗以及HP、 Siemens、 Research、 EMCORE等 高亮度白光發光二極體的製造工藝制約 GaN基 LED發展的因素技術難點 解決方法大濃度的背景電子 兩步外延生長法 在襯底上生長緩衝層 雙流 MOCVDp型材料難以制得 1992年， Nakamura等採用 Mg摻雜的 GaN經退火處理實現了 GaN樣品的 p型化很難找到熱性能和晶格常數和 GaN相匹配的襯底材料GaN襯底採用 SiC襯底在藍寶石襯底上先生長一層緩衝層 AlN 外延橫向過生長技術其他襯底高亮度白光 LED的實現基於藍光 LED，通過黃色螢光粉激發出黃光，組合成為白光通過紅、綠、藍三種LED組合成為白光基於紫外光 LED，通過三基色粉，組合成為白光發光二極體的製造工藝過程製造襯底 封狀成 成品製造晶片製造發光二極體外延片例如 GaAs、Al2O3、 SiC等 例如 MOCVD一片 2直徑英寸的外延片可以加工 10000多個 LED晶片GaN外延片生長技術GaN外延片的生產主要採用薄膜沉積的方法vHVPE（鹵化物氣相外延）vMBE（分子束外延）vMOCVD（有機金屬化學氣相沉積）生長溫度低（ 600oC）、可精確控制薄膜厚度和組分、 p型薄膜摻雜濃度高，適於生長要求界限分明、組分控制精度高的器件結構。生長速率太慢Ga(CH3)3 + NH3 GaN + 3CH41000oCGaCl + NH3 GaN + HCl + H2Nakamura等設計的垂直雙流 MOCVD常壓反應器MOCVD工藝方法由於生產設備相對簡單、造價低、生長速度適中、可以比較精確的控制膜厚、特別適合大規模工業生產，目前已經成為使用最多，生長材料和器件品質最高的方法晶片製造工藝日亞公司 1994年首創的 GaN LED晶片結構2001年 Lumileds公司研製的功率型大面積晶片到裝結構功率型大面積晶片到裝結構的優點功率型大面積晶片到裝結構1.採用背面出光避免了 p面歐姆接觸電極吸收和 n面鍵合引線遮擋而且可以增加歐姆接觸層的厚度降低正向電壓降2.可以採用高反射率的金屬作為 p型歐姆接觸電極和光學反射層。3.採用矽片作為 GaN晶片到裝的載體矽片與藍寶石具有相同的熱膨脹係數，可以採用矽旁路二極體保護晶片不受靜電衝擊，而且矽片易加工可採用工業化標準工藝4.用大面積晶片加大工作電流獲得大功率的性能傳統結構的晶片取光效率和發光效率不高，因為 p電極和 n電極在外延表面的同一側，正面射出的光會被 p面接觸電極吸收和 n電極的鍵合引線遮擋。*p面歐姆接觸電極 p型 GaN層的電導率低，外延層表面須覆蓋半透明的 NiAu歐姆接觸層來滿足電流擴展的需要。一體化插入式並聯柵狀電極一體化插入式並聯柵狀電 極 可以通過減小電流擴展距離來減小擴展電阻，從而提高發光效率封裝技術管殼及封裝是大功率 LED關鍵技術之一。美國 Lumileds公司研製的的大功率 LED封裝結構採用與常規的 LED不同的全新的封裝技術。它是將LED晶片焊接在具有焊料凸點的矽載體上，再將其直接裝在熱沉上，使大面積晶片能在大電流下工作，並使其熱性能得到改善。這種封裝對於取光效率，散熱性能和電流密度的設計都是最佳的。長 壽 命、高 效 率、高 電 流 密 度、高 亮 度 熱阻低熱阻僅有 14oC/W ，是常規 5mm型 LED的 1/20 可靠性高內部填充穩定的柔性凝膠體，在 -40120oC範圍內不會使金絲和框架引線斷開。 反射杯和透鏡的最佳設計使輻射圖樣可控制和光學效率最高常規型 LED在大電流（ 150mA）下工作幾個小時就出現明顯退化和永久失效，而這種封裝的 LED即使在 1A電流下工作也不會出現功率下降和失效。大功率 LED封裝結構的特點GaN基發光二極體還存在的問題 價格過高至少應從目前的 1$/個降至 0.2$/個 發光效率還不夠高至少從目前的 50100lm/w提高到 200lm/w 性價比低 還不到民眾普及的時刻使用低壓直流電，與現有的照明系統不同 半導體照明的壽命實際上還涉及多方面的問題，與10萬小時的理論壽命有差距2001年建成的由 18,677,760個LED組成的世界上最大的顯示幕發光二極體是由數層很薄的摻雜半導體材料製成。當通過正向電流時，電子與空穴複合以光的形式釋放出能量。半導體發光二極體及其發展歷史 1965年世界上的第一隻商用化 LED誕生，用鍺製成，單價45美元，為紅光 LED，發光效率 0.1 lm/w（流明 /瓦） 1968年利用半導體摻雜工藝使 GaAsP材料的 LED的發光效率達 到 1 lm/w,並且能夠發出紅光、橙光和黃光 1971年出現 GaP材料的綠光 LED，發光效率也達到 1 lm/w 80年代，重大技術突破，開發出 AlGaAs材料的 LED，發光效率達到 10 lm/w 90年代初，發紅光、黃光的 GaAlInP和發綠、藍光的 GaInN兩種新材料的開發成功，使 LED的光效得到大幅度的提高。在 2000年，它們做成的 LED光效分別達到 100 lm/w和