国内外大功率发光二极管的研究发展动态.doc

国内外大功率发光二极管的研究发展动态 电子信息科学与技术专业 李江涛 指导教师 邓德力 摘要：大功率 LED 广义上是指单颗 LED 光源功率大于 0.35W，广泛应用于景象照明等场所。 本文立足于对大功率 LED 光学性能的研究，简要介绍了外延材料、芯片及工艺等技术对 LED 成品的影响。通过对国内外外延结构和封装等方面的浅要分析，得出 MOCVD 和 MBE 两 种技术在 LED 领域的应用使得各种复杂结构的生长成为可能，同时，LED 技术指标的不断 提高，提高了大功率 LED 器件性能和应用产品可靠性。 关键词：大功率发光LED;光学性能;封装技术 The Research And Development Of The High Power Light Emitting Diode Student majoring in Electronic information science and technology Li Jiangtao Tutor Deng Deli Abstract：The high power LED broadly refers to a single LED whose light source power than 0.35 w, Its widely used in Scene illumination and etc. Based on the study of the high power LEDs optical properties of, briefly introduces the influence of extension materials, chip and producing technology on the led products. Through the analysis of domestic and international extension structure and packaging, etc, draw the conclusion that the two technology of MOCVD and MBE are applied in the LED fields makes the growth of complex structure possible,at the same time, as the technical indexes LED rise ceaselessly, the performance and the application of high power LED have been improved. Key words：The high efficiency shines LED; Optical property; Encapsulation technology 引言：半导体照明是指用全固态发光器件作为光源的照明技术，包括使用 半导体发光二极管(LED，Light Emitting Diode)或者有机半导体发光二极管 (OLED，Organic Light Emitting Diode)来作为光源。半导体照明是21世纪半 导体技术发展与突破的关键，作为国家发展下一代照明的战略性技术，将带动 以GaN为代表的第三代宽禁带半导体技术的发展。 半导体照明是节能的“富矿”同样亮度下耗电仅为普通白炽灯的1/10，节 能灯的1/2，使用寿命却可以延长100倍。随着LED技术的快速进步和新的应用不 断出现，节能效果已经显现。如景观照明(替代霓虹灯)节能70、交通信号灯 (替代白炽灯)节能80，如能在2010年进入普通照明，节能的效果将更加显著。 专家预测，在2005年至2015年间，我国半导体照明在特殊照明领域的应用可累 计实现节电约4000亿度；2015年后半导体照明进入普通照明应用后，其每年节 电量将超过1000亿度1。 半导体照明是安全、健康的“绿色光源” ，环保效果明显。半导体照明光源 直流、低压、无频闪和电磁干扰，无红外、紫外辐射，无荧光灯中的汞蒸汽等 污染物，符合欧盟未来灯具生产标准，并通过节能降耗减少火力发电产生的 C02、S02和粉尘的排放量。此外，半导体照明的数字化照明应用和丰富的视觉 效果可以调节人的生理和心理、营造气氛，带来健康舒适的生活和工作环境。 目前半导体照明已从最初的手机、交通信号、显示屏、景观装饰等特殊照 明领域，开始进入电脑、电视等中大尺寸液晶背光，已成为当代信息社会“增 光添彩”不可或缺的关键元器件。基于GaN基功率型蓝光LED的白光照明技术， 其国际最高水平流明效率已经达到或者超过了荧光灯，最高已经超过 1201mW。当前半导体照明应用面临的主要挑战是从各个方面入手提高器件的 流明效率。归纳起来，可以从以下几个方面来概括半导体照明技术与产业的现 状与发展趋势： 一、现有的技术路线(蓝宝石衬底)在3-5年内不可能替代。依此路线，在 2010年有望实现1301501mW目标，现有的外延材料、芯片及工艺等技术在3- 5年内不会有新的突破性进展。衬底材料中蓝宝石和与之配套的垂直结构的衬底 剥离技术仍将在较长时间内占统治地位。 二、目前LED最大的技术问题是两高两低，即提高内量子效率和出光效率， 降低光衰(提高寿命)与降低成本。LED最终的功率效率是整个生产流程中电注入 效率、内量国内超亮度及白光子效率、出光效率、封装效率和光转换效率的乘 积。内量子效率和出光效率两大指标亟需大幅度提高。光效Droop(LED在大电流 条件下出现光电效率的衰减)仍是比较大的问题。 三、目前解决出光效率的技术首选垂直结构和光子晶体(3-5年)。垂直结构 的LLOLED(Laser Lift offLED)和低成本的Si衬底的薄膜生长技术在短期内仍 将保持其优势。激光剥离的大尺寸垂直结构LED是目前实现高亮度、大功率型白 光LED的最佳方案。与传统工艺相比，不仅出光效率高、正向压降小、远场辐射 好，而且其出光效率不会随管芯尺寸的增加显著降低，是提高内量子效率的首 选。在大电流注入的情况下，垂直结构LED的光电转换效率衰减的趋势也比原有 工艺缓很多1。光子晶体是提高外量子效率的必由之路。 四、未来技术趋势是非极性面外延(5-8年)、GaN衬底外延(8-10年)。非极 性面生长技术能有效降低内建极化场，为提高内量子效率提供了一个新的选择， 有望突破绿光LED高功率效率的问题。这使得实现暖色调以及可调色调的白光 LED照明成为可能。GaN衬底生长技术能有效减少缺陷，控制非均匀性，是从根 本上提高内量子效率的有效方法，预计需要8-10年能有所突破。 五、大功率LED封装是一个涉及到多学科(如光学、热学、机械、电学、力 学、材料、半导体等)的研究课题。LED封装设计应与芯片设计同时进行，并且 需要对光、热、电、结构等性能统一考虑。在封装结构上，可以采用大面积芯 片倒装结构、金属线路板结构、导热槽结构、微流阵列结构等。为了解决芷片 材料与散热材料之问因热膨胀失配造成电极引线断裂的问题，可以选用陶瓷、 Cu/Mo板和Cu/W板等合金作为散热材料；选用导热性能好的铝板、铜板作为散热 基板材料是当前研究的重点之一。选择合适的界面材料以及确定界面材料的合 理厚度可以减低芯片的内部热应力。对荧光粉和封装材料等施加一定的保护也 可以提高大功率LED的性能和可靠性。节能、环保的半导体照明，是缓解我国能 源紧张的有效途径之一。LED作为绿色、节能、长寿的新一代照明和显示器件中 的光源，将在5-10年内大规模取代传统光源，已成为世界各国科技界、产业界 的共识，一场照明领域的革命已经清晰地显现出它亮丽的晨光。 LED产业发展状况我国LED产业从上世纪七十年代开始，一直紧跟着世界LED 产业的发展步伐。特别是近几年来，由于国家的重视，863光电子项目的投入， 相关大学、研究所加大研发力量，各地方政府及企业投入增加，加快发展速度。 到目前为止，已具有一定的规模，并初步形成LED产业链。 1 大功率LED 1.1 LED发光原理 发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导 体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。当一个正向偏压施加于PN结两 端时，在某些半导体材料的PN结中，其P区的载流子浓度远大于N区，非平衡空 穴的积累远大于P区的电子积累（对应NP结，情况正好相反） ，由于电流注入产 生的少数载流子是不稳定的，对于PN 结系统，注入到价带中的非平衡空穴要与 导带中的电子复合，饱和后，多余的能量则以光的形式向外辐射，从而把电能 直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光1。 这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。因此， LED基本的工作机理是一个电光转换的过程，当它处于正向工作状态时（即两端 加上正向电压） ，电流从LED阳极流向阴极时，通常，禁带宽度越大，辐射出的 能量越大，对应的光子具有较短的波长，反之具有较长的波长，因此，由于半 导体晶体禁带宽度的不同，就发出从紫外到红外不同颜色、不同强度的光线2。 半导体晶体的原子排列决定禁带，确定发光特性：=hc/Eg；杂质掺入形 成p 型区和n 型区；在正向偏压下，注入电子与空穴复合；复合能量以光（有 效复合）或热（无效复合）的形式释放；整个过程基本上是无害的。 一般的半导体发光二极管，多以III-V、II-VI族化合物半导体为材料。这 些材料的发光范围由红光到紫外线，目前红光的材料主要有A1GalnP，而蓝绿光 及紫外线的主要材料则有A1GalnN。虽然II-VI族材料也可以得到红光和绿光， 但是此族材料极为不稳定，所以目前使用的发光材料大部分是III-V族，最有前 途的是GaN器件。 1.2 LED晶片的基本构造 LED 晶片的基本结构一般可归为两大类，一类是针对 GaP、GaAsP、AlGaAs 等传统型 LED 晶片，一类是针对超高亮度 InGaAlP 红、黄与 InGaN 蓝、绿光器 件而言。而目前应用到最多的是第二类 LED 晶片，这类器件主要包括衬底、发 射层、MQW 发光层、透光层四个部分。其一般均通过 MOCVD 外延工艺制备。 对于四元的红、黄晶片，通常采用 GaAs 作为衬底，但由于 GaAs 吸收光较 强，因此，会在衬底和发光层生长一层反射层。 对于 GaN 基器件，一般采用 Al2O3或 SiC 作为外延衬底，其优点在于不存在 吸收光，因此一般不加发射层3。 2 LED的制造和影响其发光的相关参数。 2.1 LED的相关参数 2.1.1 电学指标 正向工作电流IF（mA） 额定工作电流IF（mA）： LED 在理想的线性工作区域，在此电流下可安全 地维持正常的工作状态； 最小工作电流IFL（mA）： LED 在小于此电流工作时，由于超出理想的线性 工作区域，将无法保证LED 的正常工作状态（尤其是在一致性方面） ； 最大容许正向电流IFH（mA）： LED 最大可承受的正向工作电流，在此电流 下，LED 仍可正常工作，但发热量剧增，LED 的使用寿命将大大缩短； 最大容许正向脉冲电流IFP（mA）： LED 最大可承受的一定占空比的正向脉 冲电流的高度。 图1 正向压降VF（V） 由LED 本身固有的IV 特性曲线决定，在IF 条件下所对应的VF 数值。二元、 三元、四元晶片的LED 的VF：1.72.5 VGaN 类晶片的LED 的VF：2.74.0 V。 耗散功率PD（W）： PD=IFVF最大容许耗散功率PDH=IFHVFH。 反向电流IR（A）： LED 在一定的反向偏压（通常取VR=5V）下的反向漏电 流。 反向电压VR（V）： LED 在指定反向电流下所对应的反向电压。 最大容许反向电压Vz（V）： LED 所能承受的最大反向电压，超出此电压使 用，将导致LED反向击穿。 2.1.2 光学指标 光通量V（lm）： 光源在单位时间内发出的光量。 dVKm dt dQ )()( (1) 发光强度IV（cd）：光源在单位立体角上的光通量。 d d IV (2) 光照度EV（lux）：光源照射在光接收面上一点处的面元上的光通量dV 与 该面元面积dS 的比值。 dS d E (3) 发光效率V（lm/W）： LED 发射的光通量与输入功率的比值。 VfIfPd (4) 发光强度空间分布图 图2 半强度角1/2：在发光强度分布图形中，发光强度大于最大强度一半之处所构 成的角度。 峰值波长P（nm）：光谱辐射功率最大点所对应的波长。 主波长d（nm）：以规定白光通常为等能白E（x=0.3333,y=0.3333）为参 照点，某点颜色的色调与波长为d 的纯光谱相同，则d 称为该点颜色的主 波长。这是一个人眼对该点颜色感觉的心理学物理参数4。 图3 (a)光谱分布带宽（nm）： =2-1 (b).色座标（x，y）：表征LED（尤其是白光）的色度。 (c).色纯Pc：样品颜色接近主波长光谱色的程度,Pc=a/b5。 (d).相关色温TC（K）：光源的光辐射所呈现的颜色与在某一温度下黑体辐射的 颜色相同时，称黑体的温度（TC）为光源的色温度。为了求得光源的色温，需 要先求得它的色度坐标，然后在色度图上由CIE1960UCS 推导的ISO色温线求取 色温。对于相对光谱功率分布偏离黑体相对光谱功率分布较远的光源，用色度 坐标与其最靠近的黑体温度来表示该光源的相关色温，在色温线上求取相关色 温。 图4 2.2 LED的制造流程 LED 芯片制造主要是为了制造有效可靠的低欧姆接触电极能满足可接触材 料之间最小的压降及提供焊线的压垫，同时要满足尽可能多的出光。主要流程 如图 5。 图 5 镀膜工艺一般用真空蒸镀方法，其主要在 1.33*10-4pa 高真空下用电阻加 热或电子束轰击加热方法使材料熔化在低气压下变成金属蒸气沉积在半导体材 料表面，一般所用 P 型的接触金属的包括 AuBe,AuZn 等，N 面的接触金属常采 用 AuGeNi 合金，镀膜工艺中最常出现的问题是镀膜前的半导体表面清洗，半导 体表面的氧化物，油污等杂质清洗不干净往往造成镀膜不牢，镀膜后形成的合 金层还需要通过光刻工艺将发光区尽可能多露出来，使留下来的合金层能满足 有效可靠的低欧姆接触电极，及焊线压垫的要求，正面最常用到的形状是圆形， 对背面来说若材料是透明的也要刻出圆形如图 6 所示6。 图 6 光刻工序结束后还要通过合金化过程。合金化通常是在 H2或 N2保护下进 行。合金化的时间温度通常是根据半导体材料特性。合金炉形式等因素决定， 通常红黄 LED 材料中的合金化温度在 350 度到 550 度之间。合金化成功后半导 体表面相邻两电极间的 I-V 曲线通常是成直线关系，当然若是半绿等芯片在电 极工艺还要复杂要增加钝化膜生长，等离子刻蚀工艺等。红黄 LED 管芯切割方 法类似于硅片管芯切割工艺。普通使用的是金刚砂轮刀片。其刀片厚度一般为 25um。对于兰绿芯片工艺来说，由于衬底材料是 Al2O3要先用金刚刀划过以后 掰裂的方法。 发光二极管芯片的检测的根据一般包括测试其正向导通电压，波长，光强， 及反向特性等。 芯片成品包装一般包括白膜包装和蓝膜包装。白膜装一般是有焊垫的面粘 在膜上，芯片间距也较大适合手动。蓝膜包装一般是背面粘在膜上。芯片间距 较小适合自动机。 2.3 LED的发展史 A、20世纪60年代初LED光源问世。当时所用的材料是GaAsP，发红光 （p=650nm） ，在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明相应的发 外延材料检验清洗镀膜光刻合金 入库包装检测切割 正面电极背面电极 光效率约0.1流明/瓦。 B、70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（p=555nm） ，黄光 （p=590nm）和橙光（p=610nm） ，光效也提高到1流明/瓦。 C、80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。 D、90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发 成功，使LED的光效得到大幅度的提高。 E、2000年，前者做成的LED在红、橙区（p=615nm）的光效达到100流明/瓦， 而后者制成的LED在绿色区域（p=530nm）的光效可以达到50流明/瓦。 3 国内外大功率LED的研究 3.1 中国LED的发展概述 中国在半导体照明领域已具备一定技术和产业基础。与微电子相比，中国 在半导体发光器件领域与国外的差距较小。我国自主研制的第一个发光二极管 (LED)，比世界上第一个发光二极管仅仅晚几个月。目前我国半导体发光二极管 产业的技术水平，与发达国家只相差3年左右。通过国家科技攻关计划等科技计 划的支持，我国已经初步形成从外延片生产、芯片制备 器件封装集成应用的比 较完整的产业链7。 3.1.1 国内LED的研究、投入和发展概述 1960-1970年 中国科学院开展发光科学的研究。 1980-2000年 LED开始从研究走向生产；早期引进管芯进行封装，技术门槛 低，九十代引进外延片进行加工，进而开展技术含量很高的外延片的研发和小 批量生产。2002年初具规模。 2003年 产值100亿元，产量超过200亿只，其中超高亮度的几十亿只。上 海、大连、南昌、厦门已成为国家四大半导体照明基地。与国际先进水平相比， 现在中国半导体照明技术落后3-5年。6月17日，科技部联合6部和11个地方政府， 从国家层面上启动了半导体照明工程。共获资金支持180万元。科技部把“半导 体照明产业化技术开发”课题列为“十五”国家科技攻关计划重大项目。科技 部7月3日宣布，有科技部、信息产业部等6部委和14个地方政府共同实施的“国 家半导体照明工程”首批50个项目正式启动。 2003年2005年 半导体照明国家科技攻关计划启动。目标-近期将解决产 业化急需的一些关键技术、掌握一批半导体照明技术的知识产权。中远期培育 新型大功率白光LED通用照明产业，并将在高端原创性技术方面将有所突破。 3.1.2 集中应用的领域 景观照明市场：包括建筑装饰、室内装饰、旅游景点装饰等，主要用于重 要建筑、街道、商业中心、名胜古迹、桥梁、社区、庭院、草坪、家居、休闲 娱乐场所的装饰照明，以及集装饰与广告为一体的商业照明。 汽车市场：车用市场是LED运用发展最快的市场，主要用于车内的仪表盘、 空调、音响等指示灯及内部阅读灯，车外的第三刹车灯、尾灯、转向灯、侧灯 等。背光源市场：LED作为背光源已普遍运用于手机、电脑、手持掌上电子产品 及汽车、飞机仪表盘等众多领域。交通灯市场：由于红、黄、绿光LED有亮度高、 寿命长、省电等优点，在交通信号灯市场的需求大幅增加。厦门市自2000年采 用第一座LED交通信号灯后，如今全市100多座交通信号灯已有近70%更换为 LED；上海市则明文规定，新上的交通信号灯一律采用LED。 户外大屏幕显示：由于高亮度LED能产生红、绿、蓝三原色的光，LED全彩 色大屏幕显示屏在金融、证券、交通、机场、邮电等领域倍受青睐；近两年全 彩色LED户外显示屏已代替传统的灯箱、霓红灯、磁翻板等成为主流，尤其是在 全球各大型体育场馆几乎已成为标准配备。 特殊工作照明和军事运用：由于LED光源具有抗震性、耐候性、密封性好， 以及热辐射低、体积小、便于携带等特点，可广泛应用于防爆、野外作业、矿 山、军事行动等特殊工作场所或恶劣工作环境之中。其它应用：LED还可用于玩 具、礼品、手电筒、圣诞灯等轻工产品之中，我国作为全球轻工产品的重要生 产基地，对LED有着巨大的市场需求。 3.1.3 国内大功率LED的研究动态 这里所指的大功率LED是指四元系AlGaInP发红、橙、黄色的LED和GaN基发 蓝、绿、紫、紫外光的LED，以及由蓝（或紫、紫外）芯片加萤光粉或由多种芯 片组合而成的白光LED。 (1)超亮度LED前工序（外延、芯片）研发及产业概况 据初步统计，目前对超亮度LED外延、芯片进行研究开发的有北京大学、清 华大学和中科院半导体所等13个研究机构。进行产业化研发、生产的有厦门三 安、深圳方大、大连路美、江西联创等14个企业。近几年取得很多研究成果， 并申请了几百项专利。研发的产品其发光强度可达几百到1千mcd，发光效率可 达25lm/w，多家研究单位均已做出1W的功率LED芯片和器件。2004年这些企业生 产的超亮度芯片已达20多亿只，而且品种较全，并提供1W的功率LED芯片。为超 亮度LED芯片国产化和产业化作出很大贡献。 (2)后工序封装现状 我国目前LED后工序封装企业超过200家，其中广东省约100多家，全部封装 能力超过250亿只/年，封装产品的品种齐全，可封装各种外型尺寸和不同颜色 的LED显示器件。国内实力较强的封装企业有十几家，这些企业大部分或部分采 用全自动化设备，封装水平较高，其产量较大。有些条件较好的研究所、企业， 如中电集团第13所、厦门华联、佛山国星等，均投入较大力量进行功率LED封装 的研发和生产，已封装的产品发光效率可达301m/w，热阻在10/w左右，并批 量封装功率大于或等于1W的LED器件，推动LED照明产品的发展。 (3)基于内量子效率提高的高亮度蓝光 LED 外延片进展 对于GaN基多量子阱结构的LED,内量子效率的提高决定于阱内载流子辐射复 合效率的提高。降低材料的缺陷密度以及InGaN量子阱内的压电极化是减少非辐 射复合、增加辐射复合几率的有效手段。目前常用的手段包括小失配的衬底使 用、AlInGaN四元系有源区生长、非极性面生长等。 (4) 基于外量子效率提高的高亮度蓝光LED外延片进展 内量子效率i的提高必定带来外量子效率效率e的提高,因此,此处讨论的 外量子效率e的提高主要是针对载流子注入效率j和光出射效率ex的提高。 外量子效率提高的常规途径是在外延片长好后在器件制备过程中作一系列的优 化设计,如表面粗化、光子晶体、特殊封装材料、倒装焊技术等,这些都是基于 光出射效率ex的提高。基于LED外延片生长过程中的外量子效率提高的途径主 要有:采用表面粗化生长技术;在图形化GaN基底上二次生长LED外延片;在图形化 蓝宝石衬底即所谓的结构衬底上生长LED外延片等。 (5)新型的外延结构 现今国际上为了不同的用途(主要是白光照明) ,探索和尝试不同于常规的 新型LED结构,如垂直结构、微芯片阵列、大管芯、微腔结构、共振腔LED和深紫 外LED等,基于不同的新结构在外延方面都有不同的特殊设计和考虑。下面主要 针对白光照明用途,特别是对研究较多的垂直结构作一些具体的讨论。垂直结构 就是上下电极结构,区别于两电极都在一面的常规结构,制造这种结构主要有三 种途径:第一种途径是在导电性能好的衬底如Si,SiC等上长。Si衬底由于晶格失 配严重,其发光效率不可能太高,因此其不可能成为主流和高端的白光照明LED; SiC衬底虽然晶格失配很小,发光效率可以很高,但其昂贵的价格让人望而却步。 第二种途径是在蓝宝石衬底上生长,然后通过激光剥离技术将LED薄膜转移到导 电的支撑物上(如Si,Cu等),其在结构上的主要问题是N面的电流扩展问题,解决 的方法主要有叉指型电极、ITO薄膜和外延生长中在MQW前加入电流阻挡层和电 流扩展层。电流阻挡层一般为相对高阻的非掺GaN或AlGaN,电流扩展层一般为相 对低阻的高掺GaN(Si),或者利用GaN/AlGaN SLs( SLs为应变层超晶格)的载流子 输运的各向异性, 即横向电导远远高于纵向电导,GaN/AlGaN SLs同时具有电流 阻挡和电流扩展的作用。不过器件制备过程中涉及激光剥离、键合等工艺,较复 杂,而且激光剥离的成品率问题一直是个难题。对于激光剥离的成品率问题,可 以采用选区外延,选区的尺度可以根据大小管芯的要求设计成不同大小的光刻图 形,然后一个一个管芯逐个剥离,这样有望提高激光剥离的成品率。第三种途径 是在GaN衬底上生长,类似第一种途径,可以直接形成上下电极结构, GaN衬底上 属于同质外延,一定可以获得最高的发光效率。另外, HVPE生长GaN厚膜技术发 展迅速,而且激光剥离技术也相当成熟,因此获得低价格的GaN衬底指日可待。 3.1.4我国政府“十五”课题对大功率LED的研究 (1)“十五”攻关项目课题设置分析 由于是冷光源，半导体照明不仅自身对环境没有任何污染，而且与传统的 白炽灯、荧光灯相比，节电效率可以达到90以上。我国目前每年用于照明的 电力接近2500亿度，其中若能有1/3采用半导体照明，每年就可节电800亿度左 右，基本上相当于三峡电站的年发电量。绿色、环保的照明新时代正快速到来。 半导体照明问世尽管已有40多年，但长期以来，半导体发光二极管只能发出彩 色光辉，虽然五色斑斓，却不能用于日常照明，只能在一些装饰等领域充当辅 助光源的角色。直到20世纪90年代中期，第三代半导体材料氮化镓的突破，以 及蓝、绿、白光发光二极管问世后，半导体照明才得以进入日常照明这一照明 领域的主阵地。此后，我国又攻克了大功率发光芯片的技术难关，研制出了 1500毫烛光（mcd）大功率发光芯片。现在，只需几粒这种小米粒大小的芯片， 就可以组成一个可供日常使用的白光台灯。而以往组成同样亮度的台灯，要用 上百粒普通的发光芯片。 (2)“十五”攻关项目工作目标 解决功率型半导体芯片设计、功率型LED封装技术及荧光粉等封装材料制备 等产业化关键技术，开发出市场急需的特殊照明应用产品，形成原创性核心技 术和一批专利。建立具有自主知识产权的半导体照明评价标准和知识产权联盟。 建设半导体照明特色产业与应用示范基地，培育一批掌握核心技术的高技术企 业。 3.1.5 存在问题分析 半导体发光器件LED，是一种电流器件，调节LED的输入电流可以改变 它的亮度与色温，LED的工作电流越高亮度越高，短时间内每W的流明值相对提 升，但当LED的工作电流增大，芯片的结温随着增高，结温增高对工作电路、散 热结构、元件封装都有不同程度的影响，最明显的表现特征就是流明值下降,等 于光衰。LED光衰明显时，光学特征随着改变，包括：光强分布、亮度、光谱分 布、色度坐标、显色性等！综上所述，LED 的光衰特性可以反映LED灯具的工作 电路、散热结构、元件封装等诸多方面的解决方案，如此重要的数据，制立标 准为什么不放在首位，以规范生产厂家和保护消费者利益，真正达到推动行业 发展和节能、环保、健康的需要。LED应用照明涉及的范围比较广泛，任何工序 都随时会对灯具的质量造成极大影响，如恒流电源、封装使用的芯片、胶水、 荧光粉、PCB板与辅助的散热材料等。这些都属于LED灯具的重要部分，任何一 环处理不当， 灯具的光衰问题马上就会反映出来。在照明领域中，半衰期之后 的灯具属于报废产品亦即初始亮度到50%后，该灯具不可以使用 9。 32 国外大功率LED的研究发展 应用不断拓宽近年来，LED 技术发展迅速。蓝光、白光 LED 技术指标不断 提升。2005 年，国外的蓝光芯片发光功率的技术水平已经达到 15 毫瓦，功率 型白光 LED 发光效率达到了 60lm/W。蓝光芯片量产指标则达到了 8-12 毫瓦。 2006 年是国外 LED 电光转换效率又有较大提高的一年。据报道，Nichia 的白光 LED 芯片的实验室水平达到了 138 lm / W。技术的进步促进了应用领域的拓展。 3.2.1新兴半导体材料技术（含混合 PPD 工艺等） 随着高新技术的发展，新材料与基础材料产业结合日益紧密，产业结构呈 现出横向扩散的特点。基础材料产业正向新材料产业拓展，世界上很多著名的 新材料企业以前都是钢铁、化工、有色金属等基础材料企业，利用积累的大规 模生产能力、生产技术及充足的资金进入新材料领域。伴随着元器件微型化的 趋势，新材料技术与器件的一体化趋势日趋明显，新材料产业与上下游产业相 互合作与融合更加紧密，产业结构出现垂直扩散趋势。这种趋势减少了材料产 业化的中间环节，加快了研究成果的转化，降低了研发与市场风险，有利于提 高企业竞争力。 3.2.2 芯片、外延片开发行业 为了提高材料质量,要求度量和表征技术能够确认限制材料优异性能的缺陷、 杂质和界面。另外还需要建立模型来模拟和分析实验结果,但是目前若干重要现 象的精确模型还没有建立,因此模型必须做重大改进才能使模拟在纳米尺度上有 效。新的国际半导体技术蓝图指出,用于新兴研究器件的大多数新材料的制备需 要新的化学物质、合成方法和度量技术来表征和改进它们的性能。新兴研究器 件的成功评价需要优化的材料体性质和界面性质以满足器件高效运行,这就需要 有表征和模拟手段来确认改变或改进了的材料性质。分子器件中使用的新化学 物质的合成需要对开关机制、接触形成和输运机制有更深入的理解。同样,形成 器件的纳米结构材料的制备,例如纳米管或纳米线,需要能够更好地控制和理解 工艺对结构、最终电学特性和界面特性的影响。用于自旋器件的材料的合成需 要能够控制同位素纯度、杂质含量、自旋弛豫、界面自旋传输和自旋退相干机 制。自组织方法要能够被用于制备高密度器件的材料,要求这种合成方法必须能 够在高于光刻达到的器件密度的情况下,按照所需图案可重复地制备材料。这些 挑战将需要新的度量技术来表征纳米尺度下的最终结构、关键材料和界面性质。 另外,需要有模型来模拟分析、确认化学和结构上的变化以改进材料性能和最终 器件性能。 3.2.3 LED可靠性对于外延片的要求 LED可靠性是指它们对热、电、机械、射线等的承受能力,可靠性好坏的评 价主要是由LED在给定工作条件下寿命的长短来决定,而寿命一般指LED的光输出 下降到初始值的一半的时间。LED可靠性涉及的问题很多,包括芯片制备和封装 的各个工艺,如光刻、刻蚀、镀膜、合金、磨片、划片、键合、灌封等,以及各 个工艺中所使用的材料等有关。LED光输出下降主要与它的老化或失效有关,而 老化或失效的机理很复杂,其中热效应是个主要因素,热效应使得p-n结温度增加,导 致MQW中位错间的相互作用而非辐射复合几率的上升和发光机理的变化,导致发 光效率的