LED照明的芯粉结合方案.ppt

*LED照明市场一角(掠影) *芯片可靠性对制备技术的要求 -结温 *提高白光功率芯片光效的方法 （专利保护的电极结构，减小电流拥堵 引入PSS图形化衬底，提高光的提取效率 专利保护的背反射镜的优化，提高 DBR/ODR/垂直结构 *提高芯粉结合技术，点亮白光市场 （激发谱、能量传递机制、配色方案、荧光粉的光衰）,提纲,半导体照明的兴起,由于半导体照明产业潜藏着巨大的经济和社会效益，许多国家和地区纷纷制定了发展计划 美国“国家半导体照明研究计划” 日本“21世纪光计划” 韩国“GaN半导体开发计划” 欧盟“彩虹计划” 我国“国家半导体照明工程” 中国台湾地区“次世代照明光源开发计划”,各国及地区半导体照明研发计划表 （单位：lm/w）,欧盟,2003年以来，大功率LED的应用逐步推开，价格也随之大幅降低。以功率为1W的白光LED来对比，2003年单颗价格为5-6美元，到2007年则降到2-3美元，而光效则由30lm/W提升到2007年的70-80lm/W。但对比2007年到现在的1W白光LED单颗价格，目前仍然维持在2-3美元，不同的是光效提升到了80-90lm/W。 目前有能力大批量供应白光LED功率芯片及LED器件厂商仍局限在Lumileds、Cree、Osram、Nichia以及台湾的晶电等为数不多的厂商，伴随着功率白光LED应用的高速增长及其光效的不断提升，预计其单颗LED价格不会有过大的降幅。,LED照明市场一角(掠影),全球LED市场规模与增长率 单位：百万美元,在2008年，NB背光源、汽车照明市场、LED路灯等新应用将持续带动LED产业成长。预期在2010年以后，将由半导体照明应用为LED带来另一波成长的契机。,全球白炽灯禁用时间表,近2-3年半导体照明的重点,2007年LED照明产值达48亿元，2010年预计98亿元。2009年LED照明渗透率可望有1.5%，比2008年倍增，总产值预计可达13亿美元。 路灯 2008年中国路灯市场规模大约1,500万盏左右，其中LED路灯的装置数量大约在50万盏。2009年中国LED路灯市场的装置数量预计将高达250万盏左右。 广东省2年内在10个城市实现“千里十万工程” 瓦房店市7万盏LED路灯，年节约电费500多万元 潍坊 2万盏LED路灯 天津工业大学实现5000盏LED路灯 室内照明,来源LEDinside,LED路灯照明,公司主走廊采用LED照明,来源:中国半导体照明网译,3个LED组成的3.6W的功率即相当于50 W卤素灯水平。 寿命为5万小时,来源:中国半导体照明网译,LED情调灯,2颗红色、1颗蓝色及1颗绿色LED 所组成，可变化出1,677种不同顏色。,芯片可靠性对制备技术的要求,*结温的测试 结温的测试采用动态电学参数法, 即利用小电流下LED的正向压降与温度成线性关系: Vf=nKT/q*ln(If/Io) + Rs*If 式中: Vf为正向电压，If为正向电流; Io为反向饱和电流，q为电子电荷; K是玻尔兹曼常数，Rs是LED内阻; n是表征P/N结完美性的一个参量, 在1-2之间; 由Tj=Rj*k*I*V+T环境 可以得到结温 式中: Tj 为结温, Rj为热阻, K为光电转换效率, I, V 为电流和电压,室温下的结温和电流的关系,芯片可靠性对制备技术的要求,*激活能的计算,实验条件： 电流： 30mA 温度： 室温， 55，80 芯片大小： 12mil*12mil 芯片波长： 460nm,芯片可靠性对制备技术的要求,由加速老化的阿雷尼乌斯模型：AF=(IFac/IFop)2*exp(Ea/kb *(1/Tjop-1/Tjac)） (*) 其中AF为加速因子，IFac, IFop为加速和正常工作时的电流， Ea为活化能， kb 为玻尔兹曼常数， Tjop Tjac 为正常工作和加速时的结温。(*)可以变化为： ln(AF)=Ea/kb* (1/Tjop-1/Tjac)+2ln(IFac/IFop) 将相应数据代入可以得到： Ea=0.77eV,*激活能的计算,芯片可靠性对制备技术的要求,*专利保护的树枝电极结构 -减小电流拥堵 -使得注入电流扩展均匀 -正负极的树枝交错排列，电流密度分布均匀 -正向电压有效降低，提高了出光效率,提高白光功率芯片光效的方法,*专利保护的树枝电极结构,提高白光功率芯片光效的方法,大功率芯片图形,提高白光功率芯片光效的方法,从图中可以看出，其树枝部分是呈现出粗细变化的，宽大部分为开始的 大电流提供了更多的面积来扩散电流，避免造成电流拥堵。当电流流向 树枝状窄端时，电流不断的由侧枝扩散出去，所以传输下去的电流越来 越少，因此我们的树枝状电极相应的也做的越来越窄。因为电极引线采 用锥形工艺，导线的电阻增加电流减小。因此与点状电极相比，沿着 电极方向，各处由电极流入导电层的电流更均匀。这再一次促进了沿着 p型和n型电极引线方向各处电流的均匀扩散。另外在电极的整体设计上， 理论上已经证明了正负极距离较短的设计有利于电流能够更加均匀的扩展， 而我们的大功率芯片图形结构中正负极的树枝交错排列，这使得正负极距 离得到有效的减小，也就使得电流能够得以更加均匀的分布。再加上其 电极呈树枝状分布，正向电压可达3.4V以下。这项成果在我们已获得的 美国专利高功率高亮度发光二极管及其制法（授权号：USP6，650 ，018）中有详细叙述。,提高白光芯片光效的方法,*专利保护的背反射镜的优化，提高光效 -背镀反射镜，提高出光效率60%-100%,通过制作布拉格反射镜提高出光效率，即在芯片的背面或者窗口处蒸镀反射金属，使有源层向上下两个方向发出的光都能够得到利用，提高出光效率50%-100% 氮化镓基发光二极管包括透明衬底和用于透射LED产生光的窗口。理论上来讲，在有源层发出的光等几率地分别从窗口和蓝宝石衬底方向出射，如果利用的是通过窗口发出的光，那么从有源层发射向透明衬底的光大部分会损失；同样地，如果利用的是通过衬底发出的光，那么从有源层发射向窗口的光大部分会损失。所以我们需要一个分布布拉格反射镜，如果利用由窗口发出的光，反射镜直接形成于衬底背面；而如果利用透过衬底的光，反射镜直接形成于窗口的发光部分。即分布布拉格反射镜可以形成于衬底背面或窗口表面，光提取率可增加50-100%。我们所说的分布布拉格反射镜也可以采用反射率比较好的银或铝等金属，示意图见图7。另外，这些反射层也可以使用那些可以提供更多散热优点的材料，以提高其散热的能力。这项技术在我们已获得的美国专利透明衬底发光二极管（授权号：USP6，643，304）中有详细叙述。 如图7所示，其中包括：蓝宝石衬底101；缓冲区102；GaN替代的衬底层103；N型GaN层104；活性区106；P型GaN层107；窗口层108和109；N电极105；P接触层110和111；分布布拉格反射镜112和212。,5、,提高白光芯片光效的方法,专利保护的背反射镜的示意图,提高白光芯片光效的方法,分布布拉格反射镜技术示意图（美国授权号：USP6，643，304） 如图9所示，其中包括：蓝宝石衬底101；缓冲区102； GaN替代的衬底层103；N型GaN层104；活性区106； P型GaN层107；窗口层108和109；N电极105； P接触层110和111；分布布拉格反射镜112和212。,提高芯粉结合技术 点亮白光市场,*激发光谱,用于白光LED的发光材料主要有四大类， 而YAG发光材料以其转化效率高成为 制作白光LED最成熟的主流技术路线。 石榴石结构的稀土掺杂的复合氧化物 发光材料，如YAG和TAG； 硅酸盐基质发光材料： 硅氧氮化合物发光材料； 硫化物或硫代氧酸盐发光材料；,（部分）激发荧光体使其发出黄光 LED发出蓝光 （透镜）复合成白光 （部分）剩余蓝光,1-PC-LED,(B+Y),蓝光（460）芯片YAG:Ce荧光体（560，黄光）光谱, YAG:Ce材料改进,YAG:Ce层厚改变的发射光谱变化（蓝光芯片）,固体发光过程 激 发 吸 收 发 光,能量转换,能量输运,能量传递,*能量传递机制,能量传递机制,-能量传递，是激发态两个中心之间的能量转移过程。 -灯用发光材料的能量传递过程大体有两种，共振能量 传递和辐射再吸收过程。 -辐射再吸收过程是光子发射后再被吸收。 -激发能量从一个激发中心（能量的给与体）传递给另 一个临近的未被激发的中心（能量接受体），主要通过 量子机械共振实现。 -共振传递包括三种情况：多级相互作用、交换作用和 声子能量协助传递。前两种情况指能量给与体发射光谱与 能量接受体激发光谱有部分重叠。第三种情况是能量给与 体和能量接受体光谱之间不能很好地满足共振条件时产生的。,发光材料主要由基质、激活剂构成 稀土离子