（微电子学与固体电子学专业论文）发光二极管热特性研究.pdf

摘要 摘要 照明耗电在各个国家的总发电量中占有较大的比例。我国照明耗电大体占 全国总发电量的1 0 - - 1 2 。2 0 0 8 年我国全国的总发电量为3 4 3 3 4 亿k w h ( 千 瓦时) 。照明耗电按全国年总发电量的1 0 计，达3 4 3 3 4 亿k w h ，为三峡水利 发电工程建成年发电能力8 4 7 亿k w h 的4 0 5 倍。由此可见，节约照明用电具 有重要意义。近年来高亮功率发光二极管( l e d ) 开始取代传统的白炽灯和卤素 灯，基于l e d 的固态照明正引发人类照明史上的又一次伟大革命。但l e d 作 为照明产品的光源，其存在的主要问题是散热问题。由于发光二极管是把电能 转化为光能的电致发光器件，其核心部分是由p 型半导体和1 1 型半导体组成的 p - n 结，正向偏压下注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以 光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。伴随着光能的输出，p n 结 内阻的存在以及半导体薄膜材料引入的缺陷将在有源层中形成无辐射复合中 心，当量子阱中的少数载流子进入有源层被其俘获后，都伴随着产生大量的热 能，这就是导致l e d 失效和光衰的主要原因所在。对于大功率l e d ，由于功 率密度较高，解决其散热问题显得尤为重要。 本论文围绕功率l e d 进行了深入的理论分析和实验研究，主要通过分析 a 1 g a l n p 系和i n g a n 基材料特性、l e d 发光机理，从器件的结构及制作工艺着 手研究了功率l e d 的热特性。主要研究工作可归纳如下： l 、在输入电流由1 0 0 m a n l a 的变化范围内，分别对a i g a l n p 系的红色、橙 色l e d 及i n g a n 系的绿色、蓝色、白色l e d 光电学特征参数进行了测试，这些光 电参数包括电光转换效率、辐射通量、光通量、发光效率、正向电压等，并详细 分析了其变化趋势的内在机理。 2 、在环境温度由1 5 1 2 n 8 0 的变化范围内，分别对a i g a l n p 系的红色、橙色 l e d 及i n g a n 系的绿色、蓝色、白色l e d 光电学特征参数进行了测试，这些光电 参数包括电光转换效率、辐射通量、光通量、发光效率、正向电压等，并详细分 析了其变化趋势的内在机理。 3 、分别测试了电流和温度对1 w 、3 w 、5 w 白光功率l e d 光电学特征参数的 影响，这些光电参数包括相关色温、色坐标、光通量、发光效率、显色指数和正 向压降，并以光效为例分析了其随器件功率先减小后增大的原因。 4 、研究了标准电学法测量结温和热阻的误差：加热电流的通电时间和大电 流向小电流的切换速度会影响l e d 结温的测量值，分别以韩国三星和美国欧司朗 公司的1 w 白光l e d 为样品进行了不同加热时间的结温测试，找到了较为合理的 加热电流通电时间；在测试热阻方面，主要问题在于热功率难以确定，对此给出 北京工业大学工学硕士学位论文 了积分热阻法和添加测试l e d 法两种修正措施。 5 、对1 w 红色、橙色、绿色、蓝色、白色l e d 的结温和热阻特性进行了测试， 对1 w 、3 w 、5 w 白光l e d 在额定电流下的结温和热阻进行了测试。对g a a s 衬底、 s i 衬底、s i c 衬底结构的1 w 功率l e d 的结温和热阻进行了变电流和变温试验。 关键词：发光二极管；结温；热阻；电流：环境温度 a b s t r a ( 可 a bs t r a c t l i g h t i n gp o w e rc o n s u m p t i o nm a k eu pas i g n i f i c a n tp o r t i o no fe a c hc o u n 仃y ，st o t a l g e n e r a t i n gc a p a c i t y c h i n e s el i g h t i n gi s10 一12 o ft h et o t a lp o w e rg e n e r a t i n gc a p a c i t y c h i n e s eg e n e r a t i n gp o w e rc a p a c i t yi s3 4 3 3 4b i l l i o nk w hi n2 0 0 8 o nt h ea s s u m p t i o nt h a t l i g h t i n gc o n s u m p t i o ni st o t a lg e n e r a t i n gc a p a c i t yo f10p e r c e n t , r e a c h i n g3 4 3 3 4b i l l i o nk w l l ， w h i c hi st h et h r e eg o r g e sh y d r o p o w e rp r o j e c ta n n u a lg e n e r a t i o nc a p a c i t y8 4 7b i l l i o nk w h o f4 0 5t i m e s s o ，i ti sg r e a ts i g n i f i c a n tt os a v el i g h t i n gp o w e rc o n s u m p t i o n i nr e c e n ty e a r s ，t h e i l i g hp o w e rl i g h te m i t t i n gd i o d e ( l e d s ) b e g u nt or e p l a c et r a d i t i o n a li n c a n d e s c e n ta n dh a l o g e n l a m p s ，t h es o l i d - s t a t el i g h t i n gb a s e do nl e d si sl e a d i n gt ot h ea n o t h e rl i g h t i n gg r e a tr e v o l u t i o n i nt h eh i s t o r yo fm a n k i n d h o w e v e r , l e d sl i g h t i n gp r o d u c t s 笛as o u r c e ，i t sm a i np r o b l e mi st h e h e a t a st h el i g h t - e m i t t i n gd i o d ei se l e c t r o l u m i n e s c e n td e v i c e sw h i c hc o n v e r t e di n t ol i g h te n e r g y f r o me l e c t r i c i t y , i t sc o r ei sp - nj u n c t i o nc o m p o s e db yt h ep - t y p es e m i c o n d u c t o ra n dn - t y p e s e m i c o n d u c t o r , b e c a u s ef o r w a r db i a st h ei n j e c t i o nm i n o r i t yc a r r i e ra n dm a j o r i t yc a r r i e r c o m b i n a t i o n , t h ee x c e s se n e r g yw i l lb er e l e a s e df o r ml i g h te n e r g y , c o n v e r te l e c t r i c a le n e r g yt o l i g h te n e r g y a c c o m p a n i e db yl i g h to u t p u t ，t h ee x i s t e n c eo fp - nj u n c t i o nr e s i s t a n c e ，笛w e l la s t h es e m i c o n d u c t o rt h i nf i l mm a t e r i a ld e f e c t sw i l lf o r m e dn o n r a d i a t i o nr e c o m b i n a t i o nc e n t e r si n t h ea c t i v el a y e r ，a f t e rt h em i n o r i t y 7 - c a r r i e ri nt h eq u a n t u mw e l li sc a p t u r e db yt h ea c t i v el a y e r , i t w i l lp r o d u c el a r g ea m o u n to fh e a t , t h i si st h em a i nr e a s o no fl e a d i n gt ol i g h tf a i l u r ea n dl i g h t a t t e n u a t i o no fl e d s f o rh i g h p o w e rl e d s ，a sar e s u l to fah i g h e rp o w e rd e n s i t y , s o l v et h e p r o b l e mo fi t sh e a tb e c o m ee s p e c i a l l yi m p o r t a n t a r o u n dt h ep o w e rl e d s ，t h i st h e s i sc a r r i e do u td e e pt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d e x p e r i m e n t a l s t u d y , t h r o u g ht h ea n a l y s i so f a i g a l n pa n dg a n - b a s e dm a t e r i a lp r o p e r t i e s 、l e d sl i g h t - e m i t t i n g m e c h a n i s m , t h ed e v i c es t r u c t u r ea n dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s st oe x a m i n et h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c s o fp o w e rl e d s t h em a i nw o r kc a r lb es u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： 1 t h eo p t i c a la n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e so fa i g a l n pb a s e dr e da n do r a n g e ，a sw e l l 笛i n g a n b a s e dg r e e n ，b l u ea n dw h i t ep o w e rl e d sw e r et e s t e da tar a n g eo fi n p u tc u r r e n tf r o mlo o m at o l a i na d d i t i o n , t h em e c h a n i s m so ft h e p r o p e r t i e sc h a n g i n gw i t hi n p u tc u l l r e n t , i n c l u d i n g e l e c t r o - o p t i c a le f f i c i e n c y , o p t i c a lo u t p u tp o w e r , l u m i n o u sf l u x , l u m i n e s c e n c ee f f i c i e n c ya n d f o r w a r dv o l t a g ee r e ，t i r ea n a l y z e di nt h i st h e s i s 2 t h eo p t i c a la n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e so fa 1 g a l n pb a s e dr e da n do r a n g e 。a sw e l l 邪i n g a n b a s e dg r e e n , b l u ea n dw h i t ep o w e rl e d s ，i n c l u d i n ge l e c t r o - o p t i c a le f f i c i e n c y , o p t i c a lo u t p u t p o w e r , l u m i n o u sf l u x , l u m i n e s c e n c ee f f i c i e n c ya n df o r w a r dv o l t a g ee t c ，w e r et e s t e du n d e ra r a n g eo ft e m p e r a t u r e sf r o m15 ct o8 0 1 2 i na d d i t i o n ，t h em e c h a n i s m so ft h e s ep r o p e r t i e s c h a n g i n gw i t ht e m p e r a t u r ew e r ea n a l y z e d n 1 北京工业大学工学硕士学位论文 3 t h ei n f l u e n c ew e r em e a s u r e d ，w h i c hi n p u tc u r r e n ta n de n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ea f f e c t t h eo p t i c a la n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e so flw , 3 wa n d5 ww h i t ep o w e rl e d s ，i n c l u d i n gr e l a t e d c o l o u rt e m p e r a t u r e ，c h r o m a t i c i t yc o o r d i n a t e ，l u m i n o u sf l u x , l u m i n e s c e n c ee f f i c i e n c y , c o l o r r e n d e r i n gi n d e xa n df o r w a r dv o l t a g e t h er e a s o n st h a tp o w e ro ft h ed e v i c e sf i r s t l yd e c r e a s et h a n i n c r e a s e 剐a n a l y z e dw i t hl u m i n e s c e n c ee f f i c i e n c ya sa ne x a m p l e 4 t h ee r r o ro fm e a s u r i n gt h ej u n c t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h e r m a lr e s i s t a n c eb ym e a n so ft h e s t a n d a r de l e c t r i c a lt e c h n i q u ei ss t u d i e da n ds u m m a r i z e da s ：t h eo n l i n et i m eo fh e a tc u r r e n ta n d s h i f ts p e e df r o mh e a v yc u r r e n tt os m a l lc u r r e n tc a l li n f l u e n c et h er e s u l tv a l u eo fl e d sj u n c t i o n t e m p e r a t u r e t h ej u n c t i o nt e m p e r a t u r et e s t s a r eo p e r a t e do niww h i t el e d sp r o d u c e d b y s a r n s u na n do s r a mi n d i v i d u a l l yu n d e rd i f f e r e n to n l i n et i m eo fh e a tc u r r e n t , t of i g u r eo u tt h e r e a s o n a b l et i m ef o rl o a d i n gt h eh e a tc u r r e n t ；w h i l et h em a i np r o b l e mo ft h et h e r m a lr e s i s t a n c e m e a s u r e m e n ti st h a ti t i sd i f f i c u l tt 0d e t e r m i n et h et h e r m a lp o w e r t w oc o r r e c t i o nm e a s u r e s , w h i c ha r et h ei n t e g r a lt h e r m a lr e s i s t a n c et e c h n o l o g ya n dt h ea d d i t i o n a lt e s tl e dt e c h n o l o g y , 锄屯 d i s c u s s e dt 0s o l v et h ep r o b l e m 5 t h ej u n c t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h e r m a lr e s i s t a n c eo f1wr e d ，o r a n g e 。g r e e n , b l u ea n d w h i t el e d sa l em e a s u r e d ，a n dt h ej u n c t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h e r m a lr e s i s t a n c eo fl w , 3 wa n d 5 ww h i t el e d sm t e s t e da tt h er a t e dc u r r e n t t h ej u n c t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h e r m a lr e s i s t a n c e o f1wl e d sg r o w no ng a a ss u b s t r a t e ，s is u b s t r a t ea n ds i cs u b s t r a t ea 佗t e s t e da tv a r i a t i o n a l c u r r e n t sa n dt e m p e r a t u r e s k e y w o r d s ：l i g h t e m i t t i n gd i o d e s ；j u n c t i o nt e m p e r a t u r e ；t h e m a lr e s i s t a n c e ；c u r r e n t ；a m b i e n t t e m p e r a t u r e w 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 日期： 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名 导师签名：盔圣笠善立生l 日期： 第1 章绪论 第1 章绪论 半导体技术已经改变了世界，半导体照明技术将再一次改变世界。随着第三 代半导体材料氮化镓的突破进展，半导体技术继引发微电子革命之后，又在孕育 着一场新的产业革命照明革命，其标志为基于半导体发光二极管( l i g h t e m i t t i n gd i o d e ，l e d ) 的固态照明( 亦称半导体灯) ，将逐步进入普通照明领域。 本课题研究背景及其意义 随着半导体照明光源在城市景观、商业大屏幕、交通信号灯、手机和p d a 背光源等特殊照明领域的应用，以其饱满色光、无限混色、迅速切换、耐震、耐 潮、冷温、超长寿、少维修优势，半导体光源已成为全球最热门、最瞩目的光源， 特别是l e d 的发光效率正在大幅度提高，半导体照明已被公认是2 l 世纪最有可 能进入普通照明领域的一种新型固态冷光源和最具发展前景的高技术领域之j 【l 】。l e d 作为2 1 世纪的照明新光源，同样亮度下，半导体灯耗电仅为普通白炽 灯的1 1 0 ，而寿命却可以增加1 0 0 倍。l e d 器件是冷光源，光效高，工作电压 低，耗电量小，体积小，可平面封装，易于开发轻薄型产品，结构坚固且寿命长， 光源本身不含汞、铅等有害物质，无红外和紫外污染，不会在生产和使用中产生 对外界的污染。因此，半导体灯具有节能、环保、寿命长等特点，同晶体管替代 电子管一样，半导体灯替代传统的白炽灯和荧光灯，也将是大势所趋。无论从节 约电能、降低温室气体排放的角度，还是从减少环境污染的角度，l e d 作为新 型照明光源都具有替代传统照明光源的极大潜力。 与其他光源相比，半导体照明光源具有以下优点1 2 】： 1 、发光效率高。白炽灯、卤钨灯的光效为1 2 - 2 4 1 m w ，荧光灯的光效为 5 0 7 0 l m w ，钠灯的光效为9 0 - 1 4 0 l m w ，大部分的耗电变成热量损耗。l e d 的光效经改进结构后可达到5 0 - - - 2 0 0 1 m w ，而且光的单色性好、光谱窄，无需过 滤可直接发出有色可见光。 2 、节能，耗电量少。在同样的照明效果下，l e d 的耗电量是白炽灯泡的八 分之一，荧光灯管的二分之一。据日本估计，如采用光效比荧光灯还要高两倍的 l e d 替代日本一半的白炽灯和荧光灯，相当于每年可节约6 0 亿升原油。 3 、使用寿命长。l e d 灯体积小、重量轻，用环氧树脂封装，可承受高强度 机械冲击和震动，不易破碎。l e d 的平均寿命达1 0 万小时，是普通灯管的数十 倍。l e d 灯具的使用寿命可达5 1 0 年，大大降低灯具的维护费用，避免经常 换灯之苦。 北京工业大学工学硕士学位论文 4 、安全环保。l e d 为全固态发光体，耐震、耐冲击、不易破碎，发热量低， 无热辐射，是冷光源，不含汞、钠元素等可能危害健康的物质，废弃物可回收， 没有污染。 5 、开关时间短。响应时间最低可达到1 微秒，一般为几个毫秒( 现用的光 源响应时间2 0 0 毫秒) 。可在高频条件下使用，如用于光电耦合电路。譬如，用 于汽车的刹车灯或状态灯，可以延长车后车辆的刹车时间，预防追尾，提高安全 性。 北京2 0 0 8 年奥运工程对于照明行业来说是一个巨大的商机。上海2 0 1 0 年 世博会的申办成功，也必将推动上海市城市建设新一轮大发展，其中蕴藏的照明 工程亦商机巨大，2 0 0 9 年中国照明销售额将超过2 0 0 0 亿元。绿色照明工程的 发展和节能需求以及l e d 技术的发展，使白光l e d 将有长足发展。据估计，2 0 1 2 年全球l e d 照明市场可能会从2 0 0 7 年的3 3 亿美元膨胀到1 4 亿美元。面对半 导体市场的良好前景和巨大诱惑，一场抢占半导体照明新兴产业制高点的争夺战 在全球悄然打响。美国、日本、欧盟、韩国、中国台湾等国家和地区相继推出了 发展半导体照明产业的国家和地区计划，以加大研究开发力度。比如日本投资 5 0 亿日元推行“2 1 世纪光计划”( t h el i g h tf o r2 1 s tc e n t u r y ) ，提出2 0 0 6 年用半导体 灯大规模替代传统白炽灯，预期2 0 1 0 年达到1 2 0 1 m w ，发光波长在3 9 9 n m 处发 光的l e d 量子效率达3 1 ：美国能源部设立了有1 3 个国家重点实验室、公司和 大学参加的“半导体照明国家研究项目”( n a t i o n a lr e s e a r c hp r o g r a mo ns o l i ds t a t e l i g h t i n g ) ，计划用1 0 年时间，耗资5 亿美元开发半导体照明；欧盟则委托6 个大 公司、2 所大学，于2 0 0 0 年7 月启动了“彩虹计划”( r a i n b o wp r o j e c ta i i b g a nf o r m u l t i c o l o rs o u r c e s ) ；我国台湾地区也在组织实施相关计划，设立了有1 6 个生产 科研和大学参加的2 l 世纪照明光源开发计划”p 】。作为世界照明电器第一大生产 国、第二大出口国，我国半导体照明产业有着一定的产业基础。面对半导体照明 的历史机遇，科技部已于2 0 0 3 年6 月1 7 日联合信息产业部、中国科学院、建设 部、轻工业联合会、教育部等部委以及北京、上海等十一个地方政府成立国家半 导体照明工程协调领导小组，正式启动了国家半导体照明工程。 与此同时，世界三大照明工业巨头通用电气、飞利浦、奥斯拉姆集团都已经 启动了大规模商用开发计划，纷纷与半导体公司合作或进行并购，成立了 l u m i l e d s 、g e l c o r e 、o s r a mo p t os e m i c o n d u c t o r s 等半导体照明企业，投入到了氮 化镓基l e d 照明光源的研发和产业中来，并提出要在2 0 2 0 年前，将半导体灯发 光效率再提高8 倍，价格降低1 0 0 倍。 作为仅次于美国的第二发电大国，2 0 0 8 年我国全国的总发电量为3 4 3 3 4 亿 k w h ( 千瓦时) 。照明耗电按全国年总发电量的1 0 计，达3 4 3 3 4 亿k w h ，为 三峡水利发电工程建成年发电能力8 4 7 亿k w h 的4 0 5 倍。如果三分之一的照 2 第1 章绪论 明市场采用半导体照明，每年可节电3 0 ，即年节电1 0 0 0 亿千瓦时，是三峡电 站年总发电量8 4 7 亿千瓦时的一倍还多。 但是随着功率的增加，l e d 的散热问题显得越来越突出，大量实际应用表明， l e d 不能加大输入功率的基本原因，是由于l e d 在工作过程中会放出大量的热， 使管芯结温迅速上升，热阻变大。输入功率越高，发热效应越大。温度的升高将 导致器件性能变化与衰减，非辐射复合增加，器件的漏电流增加，半导体材料缺 陷增长，金属电极电迁移，封装用环氧树脂黄化等等，严重影响l e d 的光电参数。 甚至使功率l e d 失效因此，对于l e d 器件，降低热阻与结温、对发光二极管的 热特性进行研究显得日趋重要。本课题正是依据此要求而展开的。 1 2 发光二极管的研究进展 1 2 1 发光二极管的发展历史 第一只l e d 是1 9 6 2 年由h o l o n y a k 等人利用g a a s p 材料制得的红光l e d ， 由于g a a s p 与g a a s 衬底晶格失配产生大量的位错，导致g a a s p 发光二极管的 发光效率和输出功率很低，其发光效率近似为0 1 i m w 。1 9 6 8 年因为其长寿命、 抗电击、抗震而作为指示灯实现了商业化。2 0 世纪7 0 年代，利用间接带隙材料 g 扭中的z n o 对和在g a p 中掺入n 形成等电子陷阱的杂质发光，两者的发光机 理分别是：利用受主杂质z n 束缚的空穴和施主杂质0 束缚的电子复合发光和利 用等电子陷阱束缚的激子复合发光 4 1 。这样，发光二极管的发光效率和器件性能 得到比较大的提高，因此得到了红色、绿色、桔黄色、黄色发光二极管。但是， 在大的注入电流下g a p ：n 发光二极管的辐射复合效率会发生饱和，这成为g a p ： n 发光二极管未能实现高功率的主要原斟副。8 0 年代，采用液相外延方法生长的 a i g a a s 发光二极管，使红色发光二极管性能得n t 极大地提高【6 】。其原因主要 是：发光区为直接带隙材料，且引入了异质结，提高了发光区的载流子注入能力 和限制能力，提高了器件的发光效率，使之达到1 0 l m w 。a 1 g a a s 红色发光二极 管成为第一支超过滤光白炽灯的发光效率的发光二极管，这样就使得红色发光二 极管在红色户外显示领域可以取代白炽灯，如汽车中央高位安装停止灯、室外运 动信息发布等应用【7 1 。a 1 g a a s 材料发光二极管适用于近红外和红色发光波长的 高效率的发光二极管，但是，对于桔色甚至更短的波长而言，a i g a a s 发光二极 管的发光效率很低，主要是因为当a 1 x g a l 嘱a s 中的舢组分x 增加到0 4 5 时， 砧x g a l x a s 从直接带隙材料变成间接带隙材料，其对应的发射波长为6 2 4 n m 引。 由于a i g a l n p 发光二极管的生长较困难，运用于生长普通发光二极管的技术 如液相外延( 1 i q u i d p h a s ee p i t a x y , 简称l p e ) 、卤化物气相外延( h y d r i d ev a p o rp h a s e 北京i 业大学工学硬学位论文 硎t a x y ，简称为h v p e ) 等都不适合于生长a i g a l n p 发光二极管唧。直到九十年 代早期，随着金属有机气相# f 延( m e t a l - o r g a n i c v a p o r p h a s ee p i t a x y ，简称m o v p e ) 技术的发展，第一支a l o a n p 激光二极管在日本诞生了l l “，在随后几年报道 了m o v p e 技术生长的高效率的a i g a i n p 发光二极管“。n e o a r d e r 等报道的 美国惠普公司a i g a l n p i s l e d 得到最高的效率，波长为6 1 5 r i m a i o a l n p t s l e d 的发光效率大于7 0 l “w 。在1 9 9 0 年左右推出的基于碳化硅( s i c ) 裸片材料的l e d 效率大约是0 0 4 流明，瓦，发出的光强度很少有超过1 5 m c d ( m i l l i c a n d e l ) 。相对于 红绿光l e d ，蓝光l e d 的发展相对较晚。1 9 6 9 年m 8 x t l s k a 和1 i e t i c n 等人利用 化学气相淀积( c v d ) 方法在蓝宝石衬底上制得大面积的g a n 薄膜，此时的g a n 膜非故意掺杂呈现很强的n 型。m a r u s k a 和t i e t j e n 等人极大地推动了g a n 的 研究，1 9 7 1 年，美国r c a 实验室的p a n k o v e 研究发现了氮化物材料中形成高效 蓝色发光中心的杂质原子并研制出m i s 结构的g a n 蓝光l e d 器件。但是限于 图1 1 不同材料系发光二极管发光效率随时间的发展状况 f i 9 1 1 t h e d e v e t o p m e n to f n g h te f f i c i e n c y o f l e d s w i t hd i f f e r e n t m a t e r i a l s 当时的生长技术，难于长出高质量的g a n 薄膜材料同时p 型掺杂也未能解决， c a n 研究陷于较长时间的停滞期。直到1 9 8 6 年，a t n a n o 等人应用a i n 作为缓冲 层，大大提高了c m n 材料的质量0 3 , 1 4 i ，制备出表面平整且没有裂缝的0 a n 薄膜。 1 9 8 8 年p 型掺杂问题首先在a k a s a k i 的研究小组取得了突破性进展【l ，他们用 低能电子辐照( l e e b i ) 方法处理已经掺m g 的样品，得到了较好的p 型，而 n a k a m u r a 更进一步，他把掺m g 的样品在7 5 0 x 2 温度下，在n 2 或真空中退火， 也得到了p 型- 当把p 型样品在n h 3 气氛下退火又回到了高阻，并于1 9 9 4 年底 研制出高亮度的蓝光l e d ”l 。蓝色、绿色a i g a i i 小i 超高亮度l e d 的相继研制成 第1 章绪论 功，实现了l e d 的超高亮度全色化，使l e d 的应用从室内走向室外，成功地应 用于各种交通信号灯、汽车的尾灯、方向灯以及户外信息显示屏。然而用于照明 则是超高亮度l e d 拓展的又一全新领域，用l e d 固体灯取代白炽灯和荧光灯等 传统玻壳照明光源已成为本世纪未来的发展目标。随着在2 0 世纪9 0 年代末，新 的生长技术，如缓冲层技术，侧向外延技术，柔性衬底技术等不断在氮化物研究 领域推陈出新，日亚公司最新推出的芯片大小l 姗2 ，新型的蓝光与绿光l e d ，在 i t = 3 5 0 m h 的条件下，两者的发光效率已分别达到了8 0l m w 与1 0 9l m w n 引。图 1 1 是不同材料系发光二极管的发光效率随时间的发展状况。发光效率是反映可 见光发光二极管性能的一个最重要的参数，发光效率指单位输入的电功率所产生 的光通量，单位为l 州w 。 1 2 2 发光二极管的发展现状 2 0 世纪7 0 年代最早的g a p 、g a a s p 同质结红、黄、绿色低发光效率的l e d 已开始应用于指示灯、数字和文字显示【1 9 1 。从此l e d 开始进入多种应用领域， 包括宇航、飞机、汽车、工业应用、通信、消费类产品等，遍及国民经济各部门 和千家万户。到1 9 9 6 年l e d 在全世界的销售额已达到几十亿美元。尽管多年以 来l e d 一直受到颜色和发光效率的限制，但由于g a p 和g a a s pl e d 具有长寿 命、高可靠、工作电流小、可与t t l 、c m o s 数字电路兼容等许多优点因而一 直受到使用者的青眯。 最近十年，高亮度化、全色化一直是l e d 材料和器件工艺技术研究的前沿 课题。超高亮度h b ) 是指发光强度达到或超过l o o m e d 的l e d ，又称坎德拉( c d ) 级l e d 。高亮度a 1 g a i n p 和i n g a nl e d 的研制进展十分迅速，现已达到常规材 料g a a l a s 、g a a s p 、g a p 不可能达到的性能水平。在器件结构上，经历了从同 质结、单异质结、双异质结、多量子阱结构。l e d 将朝着高亮度、全色化、低 成本、长寿命四个方向发展。 当g a n 外延片生长技术，p 型掺杂技术，欧姆接触，刻蚀技术等关键问题 取得突破和进展之后，g a n 基蓝光l e d 取得很大发展，其中日本日亚公司和美 国c r e e 公司表现最为出色。 日亚公司1 9 9 1 年研制成功同质结g a n 基蓝光l e d ，峰值波长4 3 0 n m ，光谱 半宽5 5 r i m ，其光输出功率为当时市场上s i cl e d 的1 0 倍，外量子效率约为 0 1 8 ：随后，日亚又研制成功i n g a n a i g a n 双异质结的烛光级超高亮度蓝色 l e d ，在2 0 m a 的正向电流下，输出功率为1 5 m w ，外量子效率为2 7 ，波长 和半宽分别为4 5 0 n m 和7 0 r i m 。最近据报道，日亚公司生产的g a n 基l e d ，无 论是蓝光、紫光、紫外还是白光l e d 均为国际上最高水平，其中4 6 0 n m 的蓝光 北京工业大学工学硕士学位论文 l e d 的外量子效率可以达到3 4 9 。美国的c r e e 公司在s i c 衬底上生长双异质 结，制作的器件同样很出色，s i c 衬底可以把g a b l 基l e d 的金属电极制造在衬 底的底部，电流能够通过低阻导电衬底的垂直流动，也为发展其他光电子器件奠 定了基础。此公司在s i c 上生长g a n 基l e d 无论是小尺寸芯片蓝光l e d 和紫 光l e d 还是大尺寸蓝光l e d 和紫光l e d 均属国际顶级水平。1 9 9 7 年，s c h l o t t e r 等人和n a k a m u r a 等人先后发明了用蓝光管芯加黄光荧光粉封装成白光l e d 。 2 0 0 1 年k a f m a n n 等人用u vl e d 激发三基色荧光粉得到白光l e d 。过去的几年 中，白光l e d 引起了l e d 产业界和学术界的广泛重视。日亚于2 0 0 7 年9 月时 发表了其新型l e d ，该实验型产品在顺向电流为3 5 0 m a 的条件下，光通量可达 1 4 5 1 m ，发光效率约为1 3 4 1 m w ，芯片的大小为l m m 2 ，色温为4 9 8 8 k ( 在i r = 2 0 m a 的情况下，发光效率更高达1 6 9l m w ) 1 2 0 l ；c r e e 公司也在日前宣布推出一款新 的冷白光l e d - x p g ”，发光效率和亮度都创下新的记录，其在驱动电流为 3 5 0 m a 时，光通量达1 3 9 1 m ，光效为1 3 2 1 m w ，亮度和光效分别比c r e e 最亮的 x r el e d 提高3 7 和5 3 ，被称之为“业界最亮且具有最高效率的照明级 l e d t 2 1 1 ， 同时功率型白光l e d 的封装也被许多厂商所重视，在高功率l e d 封装技方 面被认为有独到之处的p h i l i p sl u m i l e d s 于2 0 0 7 年1 月时宣称其高功率白光l e d 之发光效率已达11 5l m w ( 在驱动电流为3 5 0 m a 的情况下) 。同年1 1 月时则发 表了其新型量产化商品l u x e o nk 2 ，可承受1 a 之驱动电流，最大可至1 5 a ，并 发出1 6 0l m 以上之光通量，是l e d 业界第一款商品化的1 al e d 。 除了在发光效率与可承受之驱动电流上下功夫外，l u m i l e d s 也针对l e d 照 明商品化的一大问题一l e d 的均匀性，进行改善，于2 0 0 7 年8 月时发表了 l u m i r a m i c 技术，该技术可将l e d 的色温范围减低为原本的1 4 ，可减少各个l e d 间色温不均的现象瞄】。由此可见，功率型l e d 的研发和产业化将成为今后发展 的另一重要方向，其技术关键是不断提高发光效率( 1 m w ) 和每一器件( 组件) 光通 量。 我国发展l e d 起步于七十年代，产业出现于八十年代【2 3 1 。2 0 世纪9 0 年代， 国际上对四元系a i g a l n p 和g a n 基的研究获得了超高亮度l e d ，与此同时，我 国部分大学及研究机构也投入该领域进行研究和开发。在高校、研究所和企业之 间，合作形式有产学研结合，也有转让科技成果。经过多年的努力，取得很多可 喜的成果。 a 1 g a l n p 四元材料具有以下优点：( 1 ) 是直接跃迁型发光材料，发光复合几 率大，发光效率高；( 2 ) 可以制得优良的p n 结，不仅可制得p 型、n 型晶体， 而且电导率很高：( 3 ) 采用合适的衬底材料g a a s 和金属有机物化学气相淀积 ( m o c v d ) 技术可以得到优质晶体；( 4 ) 带隙宽，随a l 组份的变化可对带隙 6 第l 章绪论 进行调节，发光波长可调。对四元系a 1 g a l n p 红、橙、黄色l e d 芯片，早期投 入研究开发的有1 3 所、山东大学、中科院半导体所等单位，主要在材料外延方 面取得突破，并同时研发红、橙、黄色超高亮度l e d 芯片，现已通过相关部门 的鉴定，并与企业合作开展产业化工作。接着，山东华光光电子公司、1 3 所、 厦门三安公司在材料外延和芯片制造的产业化方面都取得进展，能批量提供红、 橙、黄色超高亮度l e d 外延片和芯片。在芯片制造方面，还有上海大晨公司、 南昌欣磊公司和深圳普光公司等多家企业均能够批量提供超高亮度a i g a l n p 红、 橙、黄色l e d 芯片。 在g a n 基蓝、绿色l e d 方面，我国的研究起步较晚，到1 9 8 7 年才利用v p e 技术在蓝宝石衬底上外延生长出g a n ，随后北京大学、南京大学，上海光机、