（微电子学与固体电子学专业论文）白光LED老化机理研究.pdf

华南师范大学硕士学位论文摘要 摘要 g a n 基白光l e d 具有寿命长、耗电小、发光效率高等优点，是被寄予厚望 并认为是新一代照明光源的半导体光源，其在光效、寿命以及环保等方面具有以 往的光源所无法比拟的优势。目前正被推向照明市场的白光l e d 的研制水平不 断提高，同时也对白光l e d 的可靠性提出了更高要求。 本论文旨在通过对g a n 基白光l e d 的老化特征进行实验研究，了解影响和 造成白光l e d 整体及各组成部分的老化的因素及其规律，从而有针对性地改良 白光l e d 的结构，达到在提高其光效、亮度的同时提高其工作可靠性的目的。 本论文的主要工作如下： ( 1 )总结了国内外对白光l e d 老化机理的研究成果，认为白光l e d 的 老化主要是由于深能级和非辐射复合中心的增加、接触电极金属的电迁移和退 化、散热不良导致的电极缓慢或灾变性失效、封装材料的老化、荧光粉的劣变、 静电的影响等原因。并且总结了国内外科研机构针对老化机理研究成果而采取的 改善措施，以及取得的优秀成果。 ( 2 )为研究白光l e d 在老化过程中光学性能和电学性能等的变化情况， 了解白光l e d 的质量水平，采用了白光l e d 在固定风箱温度下进行恒定电流加 速老化实验，通过l e d 波长分析系统测量了白光l e d 在老化过程中i v 特性、 色坐标、显色指数等参数的变化，针对变化情况进行了讨论研究。 ( 3 )为研究白光l e d 中的荧光粉的老化规律，采用了使用同一批芯片 的白光l e d 与蓝光l e d ，在同样的实验条件下同时进行恒定直流加速老化实验， 通过对比实验过程中两者的光通量、电致发光光谱图等的数据，计算出了白光 l e d 中的荧光粉转化蓝光为黄光的转换率在老化过程中的变化规律。 ( 4 )根据白光l e d 在恒定直流加速老化实验中的数据，计算了芯片在 老化过程中由于电流的热效应，所造成的温度上升情况，并讨论了上升的温度对 l e d 老化的影响。 ( 5 ) 根据白光l e d 在恒定直流加速老化实验中的光通量等数据变化，采 用两种不同的计算方法计算其寿命，并根据计算结果对两种方法的优劣进行讨 论，并针对寿命实验提出了改进措施。 华南师范大学硕士学位论文摘要 ( 6 )根据实验得出的结果，结合白光l e d 工作原理，从芯片设计、熟 沉材料，封装技术、荧光粉、等方面探讨了改善和提高可靠性的方法。 关键词；白光l e d ，g a n ，老化，加速，转换效率 华南师范大学硬士学位论文 a b s t r a c t g 羽b a s e dw h i t el e di sa 槲b 缸o fs e m i c o n d u c t o rl i g h t 蹰愀w h i c hh a s a t n a e t e dm u e l aa t t a m o nf o ri t s h a e o m p a r a b l cp a - f o m a l l c ca p | d a yi n l u m e n e t t i e i a e y 、l i f el i m ea n dl e s sp o w e r f o rt h em o m e t i tw h i t el e d i sb e i n gi m p r o v e d e e a l e s s l y a a d b e i n g p u s h e d i o l i g h t m a r k e t a n d i a cr e l i a b i l i t y i s n l o l r e i m p o r t a t l t ht h i st h 罄碗i no r d e rt o 如l a t h eh h n e t t i e i y 、l u m e nf l a n d r e 1 i a b i l i t y , t h ea g - m gc i u l r a c t c r i s t i e so fg a nb a s e dw h i t el e dm 如s p 州锄d a i l a l y o 。db yc a p e r i m e n tr e s e e l a t h em a i nr o e , c a t c hi sg i w f o l l o w i n g ： lt h ep u b l i s h e ds c a r e l ao na g i n gt h e o r yo fw h i t el e dw a ss u m m a r i z e d t l l or l ，a s o l l si n c l u d e d 口e a f i o no fd c 印l e v e l sa n dn o n - r a d i o a c t i v em c 0 b i n a 埔呲 e e t e r s , d e c l c r om i g r a t i o t la n dd e g r m a t i o no fc o n t a c tm e t a l 。s l o wo fd i s a s t e rm o d e e l e e l r o d ef a i l u r ec a u s e db yh i 曲t e m p e r a l u r e , d e g r a d a t i o no f1 t l cc m l ) s u l a t i o n m d 砸a la n do b s o l e s e 鼬e eo ff l u o r c s e e t l tp o w d e r a n dt h ei m 掣o v i n g1 1 3 如o d s a c c o r d i n g t ot h e s er e s u l t sw l g l r l 5i n t r o d u c e d 2w ea g e df s m mw 1 i i t e - l e du s i n gi n v a r i a b l e n e s sc u r r e n t0 1 1s e t t l e d t e m p e r a t u r e , a n dm e a s u r e dt h ec o n d i t i o n so fl u m e nf l u x 、t h ec o l o rc o o r d i n a t ea n d o t h e rp a r a m e t e r s w h i c hw e c o n n e c t e dt ot h eq u a l i t yl e v e lo f u e d 3 i no r d a ：t or e s e a r c ht l a ed e g r a d a t i o nr u l co ff 1 , o r c s c e n tp o w d e ri n w l f i t c - l e d , 种p 口f o r m e d 硒n gs t i l d yu s i n g w h i t e - l l ! d sa n db i u c - l e i ) sw i t hs a n l c b a t c ho fc h i p su 妇s 铷哪ei n , v a r i a b l e a e s se u r r e i n ta n db 踟n ec o n d i t i o n s i t si n d i e a t 删l t h a tt h et r a n s i t i o nr a t ef r o mb l u e l i g l l t t o y e l l o wl i g h t i nw h i t e - l e dr e d u c e d f o l l o w i n gt l l er u l eo fe x p o n e n t i a lf u n c t i o n a n di tr e d u c e df a s t e rw h e nt h ee l e c t r i c a l r l c l l tw a sb i g g “, 4w ec o u n t e dt h ei n c r e a s e dt e m p e r a t u r et a k e nb y a g i n gc u r r e n tw i t hg i v e t h e r m a lc a p a c i t y , a de o i l e l u d e dt h a th i g he l a i pt e m p e r a t u r oc i l u s l x lb y 晒e gc u r r c a a ti s t h em a i nf e a s 锄f o r 凸ca g i n gd e g r a d a t i o n w ee o m p a r 杖tt l a ed i f f e r d ti a c r e , a s e d m 华南师范大学硕士学位论文 把m p 粕t i l 怕t r a d e rd i f f e r e n ta g m gc u r r e n t , t oe x p t a mt h er 髓l $ o nf o rf a s t e ra g i l l gu n d 盯 b i g g o ra g i n gc u r r e n t 5t h el i f e t i m mo ft h el e da g e dw 口ec o m p u t e db ，t w od i f f e r e n t m a t h e m a t i c sm e t h o d s t h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g e w e r e b o t hc o m p a r e d 6m e t h o d st oi m p r o v e 岫r e l i a b i l i t yw c a ed i s c u s s e da c c o r d i n gt or e s e a r c h r e s e t s s o u l eb e t t e ri d e a sw e b r o u g h tf o r w a r d k e y w o r d s ：w h i t e l e d ，斛d e g r a d a t i o n , a g m g t n m s i t i o n r o t e 华南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。 本人完全意。 叭l z l 到本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：弋泉半币够 日期：2 0 0 7 年岁月2 多日 学位论文使用授权声明 本人完全了解华南师范大学有关收集、保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南师 范大学。学校有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，允许学位论文被检索、查阅和借阅。学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、数字化或其他 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在后解密适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 书。 论文作者签名1 啄窖尔哆 e t 期：川年歹月矽日 导师签名： 日期： 胁妙 ，月) 日 华南师范大学顽士学位论文第一章绪论 第一章绪论 第三代半导体材料氮化镓的技术突破和蓝、白光发光二极管的问世，令发光 二极管( l i g h t e m t t t i i l g d i o d e 简称l e d ) 有望成为第四代光源即半导体照明 发展半导体照明将在极大程度上缓解能源相对短缺、污染日益严重的局面，有利 于国民经济可持续发展并带动传统照明产业，刨建新兴产业。因此积极研究半导 体照明新技术，加快发展半导体照明产业具有重大的经济意义和社会意义 1 1l e d 的结构与发光原理 l e d 是一种电致发光器件，核心部分是由p 型半导体和n 型半导体组成的芯 片，在两种半导体之问有一个过渡层，称为p - n 结，其能带结构可解释l e d 发 光原理【l 】。用e v n 、e v p 表示价带，e t a 、e c p 表示导带，e f 表示费米能级，e d 表示施主杂质能级，e 表示受主杂质能级，e l 表示禁带宽度，n 区导带上的实 心点代表电子，p 区价带上的空心点代表空穴热平衡状态下p - n 结的能带图如 图1 1 a 所示，n 区和p 区费米能级保持一致在室温下，n 区导带底附近的浅旌 主能级e n 被电离并产生大量电子到导谁，电子成为多数载流子而在p 区中， 浅受主能级e 提供大量空穴，空穴是多数载流子当在p - n 结加正向电压时( n 区接负电，p 区接正电) ，p - n 结势垒降低，n 区电子会注入到p 区，p 区空穴注 入到n 区，形成如图1 1 b 所示的非平衡状态被注入的电子和空穴称为非平衡 载流子( 又称少数载流子) 非平衡载流子和多数载流子在p - n 结附近会产生复 合，同时不断地将多余的能量以光的形式辐射出来，形成发光。 b 邕： 二声焉脚 e l f每；黟一 勋l 1 丽夕” 田i 1 i 在熟平衡下p - n 结的能带圈田1 1b 在井加正向电压后少数载潍子的注入 华南师范大学硕士学位论文第一章绪论 发光辐射过程可分为带问辐射复合。以及杂质与主带间复合【2 l 。对于有直接 带隙的半导体材料( 如m _ v 族化合物g a n , o a m ) ，复合辐射过程直接进行，具有 较高的发光效率，称为带间辐射复合对于间接带隙半导体材料 如o e ，s i ) ，导 带顶和价带底不在布里渊区的同一处，复合过程需要声子作为中间介质参与，复 合几率和发光效率较低，需要掺入适当杂质来增加复合几率，提高发光效率，称 为杂质与主带问复合 描述发光二极管特性的主要物理量是光谱特性、电学性能、发光效率和光学 性能等 1 ) 光谱特性 发光二极管的光谱分布决定于半导体材料带隙e g ，发光波长 与e g 的关系 为： = 1 2 4 p m e g 根据所选用发光材料禁带宽度的不同，l e d 发射光波的波长范围可以涵盖 从紫外、可见一直到红外的所有波段。发光二极管发出的光不是完全的纯单色光， 但是它的谱线宽度比除了激光以外的其他光源的光谱线都要窄，因此可近似看作 是单色光l ”。 2 ) 电学性能 电学性能主要包括正向工作电压，正向电流，反向饱和电流以及伏安特性。 正向电压取决于半导体的带隙、正向电流和温度在同样的工作电流下，发出不 同颜色的l e d 有不同的正向电压，并与温度有关。常用的巾5m 的l e d 一般 工作在2 0 m a 恒定直流以下，工作电压一般要求在2 0 m a 恒流情况下小于2 4 v 。 反向电流有多种产生机制，如扩散电流、耗尽区内的复合电流、p n 结表面结 合电流和隧道电流等。决定反向电流大小的主要因素有材料的带隙宽度，材料质 量，工作温度及p i i 结表面状态。反向饱和电流越小，l e d 性能越高。伏安特性 衡量了l e d 内部电阻的太小，可以反映l e d 内部的结构变化情况。 3 ) 发光效率 发光效率包括内量子效率和外量子效率【j 内量子效率是指单位时间内辐射 复合产生的光子数与单位时问内注入的电子一空穴对数之比；外量子效率是指 l e d 辐射到外部的光子数与通过p - - n 结的电子空穴对数之比一般讲的发光 效率是指外量子效率。发光z - 极管的发光效率范围为0 3 1 3 嗍，但采用其他方 2 华南师箍大学磺士学位论文第一章绪论 法可大大提高其发光效率。同时l e d 的流明效率( l 删w ) 也得到很大关注，被 作为衡量l e d 将电能转化成光能的能力的重要标准之一 4 ) 光学性能 光学性能包括光通量、发光强度、主波长、半峰宽、色坐标、显色指数等。 光通量表示单位时间光源向空问发出的、使人产生光感觉的能量。而发光强度是 光源在指定方向的单位立体角内发出的光通量。显色指数是衡量光源在照射物体 时，能否充分显示被照物颜色的能力的标准 1 2l e d 的发展与现状 自从1 9 6 2 年首批l e d ( g a a s p 红色) 实现商品化i 1 到现在，l e d 在发光材 料、制造技术、规格性能方面得到了迅猛发展，应用领域得到极大拓展，可以将 其发展史分成四个阶段： 第一个阶段由1 9 6 2 年到上世纪8 0 年代初的近2 0 年时问，人们采用了间接 带隙的半导体材料g a a s p 、c a p 等，通过氯化物气相外延法( i - i v i e ) 和液相外 延法( l p e ) 生长芯片，通过在材料中掺入z n 、0 等杂质元素提高发光效率， 流明效率达到ll m w 左右同时通过调整g a a s p 材料中a o 和p 的组分使商品 化的l e d 波长范围从单一的红色，扩展到红、橙黄几种颜色i t , s 第二个阶段由上世纪8 0 年代初到9 0 年代初，人们使用了直接带隙的g a a i a s 三元系材料，通过带问直接发光，具有更高的量子效率和发光效率，结构上采用 了异质结、双异质结，增加了复合几率，较小的禁带宽度提高了光的出射几率， 而液相外延( l p e ) 技术更加成熟，在提高芯片质量的同时大大降低了成本，促 进了l e d 的市场发展随着技术手段的发展，红色和红外高亮度l e d 的研制取 得突破，外量子效率达到8 ，流明效率接近1 0l m w 随着光效的提高，l e d 在户内显示屏等多个领域得到应用，但是由于c r a a i a s 三元系材料的光衰严重， 在户外的应用仍然受到局限。 第三个阶段主要是上个世纪最后十年，人们采用了直接带隙g a a l l n p 四元系 材料和c a n 材料，通过技术突破得到了各种颜色，亮度也达到了超高亮度。金 属有机物气相外延( m o c v d ) 和分子束外延( m b e ) 技术被引入l e d 的研究 和生产，其中m o c v d 技术能够用于大批量生产，m b e 技术因为能够非常精确 华南师范大学硕士学位论文第一章绪论 控制膜层厚度，成为研制、试验新型芯片结构的重要方法，m o c v d 和m b e 成 为目前最先进的材料生长技术之一，可以生长单原子层厚度的完整晶体，从而可 以生长各种复杂的芯片结构，如单量子阱、多量子阱、布拉格发射层，同时透明 电极、梯形切割等技术的发展大大提高了l e d 光产生和提取效率，部分颜色l e d 的流明效率已经达到了1 0 0k 蚋r 以上，超过了白炽订的发光效率这一阶段也 是国际资金投入的最旺盛时期，1 9 9 1 年日本东芝公司和美国h p 公司分别研制成 功g a a i i b p 红、橙超高亮度l e d ，1 9 9 2 年上述两家公司又分别研制出g a a i i p p 黄色l e d 。1 9 9 3 年日本n i c b i a 公司n a k a m m a 利用g a n 基材料和双气流m o c w d 技术成功开发出蓝光l e d ，很快又推出了商品化的绿光l e d ，l e d 实现了全彩 化和超高亮度化。这十年是l e d 产业和技术最具有活力的十年，新的材料体系、 新的生长技术、新的器件结构给l e d 产业带来了无限生机和活力，经过这十年 的发展，l e d 的应用领域由状态显示，户内显示扩展刘交通信号灯、户外全彩 大屏幕显示等领域，并且开始应用于装饰照明、汽车照明、仪器仪表照明等特种 照明领域。 第四个阶段开始于上世纪未并一直延续到现在，发展的目标是研究高效率、 全固忿、环保的l e d 光源，推进l e d 在照明领域的应用这一阶段的研究工作 除了继续提高发光效率之外，还需要解决荧光粉的匹配，大功率l e d 芯片生长 与制备、新型衬底的研发、新的器件结构、白光l e d 老化机理的研究睁j s l 。同 时l e d 在各种应用领域的大范围应用以及配套设备的研制成为发展l e d 市场的 重要步骤。 1 3 自光l e d 的发展 白光l e d 是l e d 家族中最后一个面世的。它的诞生是l e d 研发中的一 个重要突破。自光是复合光，而半导体材料的发光机理决定了单一的l e d 芯片 不可能发出连续光谱的白光，必须以其他的方式合成目前制作白光l e d 的主要 方法有”3 l ： ( i ) 红、绿、蓝三基色芯片l e d 或三基色l e d 灯混合实现白光前者为三 芯片型。后者为三个发光灯组装型。三芯片型发光材料主要有g a a , s p 、a l g a a s 等发红光；a l g a i i l p g a a s ，a l g a l n p g a p 等发红光和橙光：g a p 发绿光；i l l g a n 发 华南师范大学颈上学位论文 第一章绪论 蓝光。而红、绿、蓝三个l e d 封装一起，光效可达2 0im ，、) i ( 发光效率较高，显色 性好三基色l e d 混合通过三基色光的分别调整可控制色彩。但三芯片型比三 基色混合型成本较* l 并且存在红、绿、蓝芯片光衰不同产生变色现象等缺陷 ( 2 )用g a n 基蓝色l e d 芯片发出的蓝光激发荧光粉发光，使蓝光与黄光 混合发出自光i n g a n 蓝光芯片激发y a g 荧光粉得到的白光，光效可达1 5 l m w 这种方法发光效率高，制备简单，温度稳定性高湿色性也好。但色彩会随 角度而变，光一致性较差由于技术的发展与成本的影响，目前采用这种方法的 白光l e d 发展最迅速，技术最成熟，商品化程度最高 ( 3 ) 紫外光或紫光l e d 激发三基色荧光粉，发出白光显然也可选用两基色、 四基色、五基色荧光粉。同样实现白光l e d 这种方法决定于荧光粉，易实现较高 的显色性，白光制各方法也简便易行但是目前存在发光效率低，温度稳定性差， 紫光容易遗漏等缺陷 人们寄希望于自光l e d 这种节能、方便的固体光源，希望能将它用于日常 照明为此人们在开发出普通亮度的l e d 基础上，随着g a n 材料生长等技术的不 断改进，又开发出了具有更大工作电流和更高亮度的高亮度、超高亮度白光l e d 通常。人们把光强为ic d 作为一般l e d 和高亮度l e d 的分界点。超高亮度l e d 主要 指a i g a i n p 的红、橙、黄色l e d ，g a n 基蓝、绿，紫和紫外光l e d 作为新一代 半导体材料，氮化镓( g a n ) 材料具有许多优异的性能，包括满足大功率、高温高 频和高速半导体器件的工作要求 全彩超高亮度l e d 的实用化和商品化，使照明领域面临一场新的革命，自光 l e d 成为2 l 世纪展具有竞争力的新型电光源。从应用市场结构看，l e d 主要应用 范围包括显示屏、手机、指示灯、l c d 背光源，照明、装饰灯领域。 在整个应用领域中，指示灯为最主要的应用领域，但其中作为一般指示用的 l e d 多为普通亮度l e d ，只有交通信号指示灯或道路指示灯等户外指示灯采用高 亮度l e d 在过去的1 0 年中，商亮度的l e d 被陆续应用在汽车、卡车及大型游览 车的内外车灯等领域大部分新出厂的汽车及大型交通工具都已开始使用l e d 当 作方向指示灯和刹车灯。l e d 灯具有响应时间短的特点，通常l e d 的响应时间为 6 0 璐，白炽灯的响应时同一般为1 4 0 越，因此使用l e d 灯可以大大降低交通事 故的发生率。 华南师范大学碰士学位论文 第一章绪论 进入2 1 世纪后，能源与环境显得越发重要，节能环保成为人们的共识当 前照明用电约占世界总能耗的2 0 左右，若能以耗能低、寿命长、环保安全的 白光l e d 取代目前低效率，高耗电的传统照明，无疑将带来一场世界性的照明 革命。g a n 基白光l e d 作为一种基于半导体电致发光技术的新型固态光源，具 有低功耗、长寿命、反应快、环保、酎恶劣环境等优点，迎合了未来照明光源绿 色、环保的发展趋势。g a n 基蓝光l e d 在全彩显示、各色指示灯和白光照明灯 方面所具有的明显的优势和潜在的巨大的市场，使之成为目前半导体行业关注和 研究的热点，被誉为继爱迪生发明灯泡之后照明技术的又一次革命t 2 4 - z t i 景观照明是半导体照明的新兴力量现阶段用于照明的l e d 还很少，这主 要是因为现阶段l e d 的发光效率、显色性、光衰等基本参数还没有完全达到传 统照明中的参数要求，但由于发光二级管具有的诸多优点及国家出台的“国家半 导体照明工程”等相关政策的支持，相信随着时问的推移，技术的不断进步，l e d 必将逐步代替白炽灯、荧光灯等传统照明光源而成为新型绿色照明光源，半导体 照明市场发展潜力十分巨大 随着l e d 在手机中的应用日趋普遍，特别是带有拍照功能的手机在市场整机 产量中的比重日益增大，作为闪光灯用的白光l e d 需求快速增长除此之外，安全 照明灯、显微镜灯、手电筒、特种自光照明等小功率白光l e d 灯也已经进入市场。 因此，今年白光l e d 市场将会发展迅速，成为市场中的又一重要力量。随着半导体 照明技术的不断发展，l e d 越来越多的进入到各种照明领域中 与白炽灯泡及荧光灯相比，自光l e d 具有体积小( 方便进行阵列择布) 、发 热量低( 无红外热辐射) 、耗电量小( 低电压、低电流) 、寿命长( 理论寿命l 万小时 以上) 、响应速度快( 可高频操作) 、环保( 耐震、耐冲击、废弃物可回收，无污染) 、 可平面封装，易开发成轻薄短小产品等优点，并且没有白炽灯泡高耗电、易碎及 日光灯废弃物含汞污染等缺点。是被业界看好在未柬i o 年内成为替代传统照明 器具的一大潜力商品 ”- 3 1 1 目前，日本、美国和欧盟倾注大量资金、人力和物力 推动白光l e d 新一代照明光源研究与开发，成立了专门机构制定战略目标和计 划以确保推动白光l e d 发展处于领先地位 1 9 9 8 年e t 本拟定一项“2 l 世纪光计划”，其内容包括“开发波长4 0 0 t l a b 左 右的高效率蓝光及紫外光l e d 及其高效荧光体9 ，“开发高效率光电转换化合 华南师范大学碰士学位论文第一章绪论 物半导体”从1 9 9 8 年至2 0 0 2 年的5 年间拟投资5 0 亿日元从事研发；2 0 0 2 - 2 0 0 7 年则是商品化推广期。美国政府决定从2 0 0 0 年至2 0 1 0 年投入5 亿美元，实旎“国 家半导体照明研究计划2 0 0 1 年7 月美能源部提出“新一代照明光源计划” 欧盟各国积极合作研发用于照明的l e d ，其计划名为“彩虹计划” 自光l e d 照明光源优越的性能和巨大的市场潜力，吸引了传统照明企业和 掌握l e d 技术的半导体公司的注意，也促进了这两类企业的联合为了应对半 导体照明时代的到来，世界上主要的传统光源制造企业纷纷与半导体公司联合， 成立以发展半导体照明产品为目的的公司，进行半导体照明光源的开发和生产， 如l u m i l e d s 公司，由全球第一大照明光源荷兰p h i l i p sl i g h 血g 公司与美国h p 的a g i l e a t 技术公司合资1 5 亿美元于1 9 9 9 年7 月成立；g e l c o t e 公司，由美国 最大灯具厂g el i g h 缸g 与美国光电半导体m o c v d 设备大厂e m e o r c 联合于 1 9 9 9 年成立；o s r a mo p t o $ c m i g o n d u c 栅r s 公司，由德国s i e m e n s 光电公司、德国 世界第二大光源灯具厂商o s r a m 与美国c r 公司合资于1 9 9 9 年成立此外。日 本k o h r a 公司和美国c r e e 公司达成联合专利使用权协议，发展白光l e d ：日本 丰田合成公司和东芝公司2 0 0 1 年达成协议联合发展紫外白光l e d 方案 我国政府对发展白光l e d 高度重视。“九五”和“十五”均列入科技部“8 6 3 ”， “9 7 3 ”计剜，投入大量经费资助其中由北京大学、中科院物理所和北京有色 院联合承担“十五”白光l e d 。8 6 3 ”项目。2 0 0 3 年6 月1 7 目，国家科技部正 式启动了“国家半导体照明工程”计划，将半导体照明技术的发展和应用提高到 战略高度。我国白光l e d 发展主要受到蓝光芯片设计制造能力的制约。在技术 研发水平上，国内的蓝光芯片指标已达到国外中档产品水平，个别研发机构的技 术水平已达世界先进水平l e d 封装技术与国外差距较小，在国际市场上己占 有相当大的份额，有可能取得关键技术的突破，形成自主知识产权。另外，位于 产业链下游的芯片封装与照明应用产业，既是高新技术产业，又是劳动密集型产 业，我国具有廉价劳动力的优势，有能力承接国际半导体照明产业的转移。所用 关键材料、高效荧光粉有很好基础和条件据此，不少业内人士认为，中国有可 能成为世界上最大的l e d 生产基地之一。我国台湾i n g a n 蓝光芯片开发厂商很 多己崛起成为世界蓝光芯片主要供应商，占世界总产量的四分之一；无论质和量 都在大陆之上，但质量逊于日美。我国一些l e d 产业基础较好的省份，也针对 7 华南师范大学硕士学位论文 第一章绪论 半导体光源推出了自己的科技攻关项目。2 0 0 5 年3 月，广州l e d 工业研发基地 正式成立基地设立研发中心和生产中心，研发中心设在华师大石牌校区内，面 积3 8 0 0 平方米，生产中心设在坑口电子( 数码) 基地，面积3 5 0 0 平方米。酋期 投资t 2 亿人民币，其中香港健隆集团公司投资9 0 0 0 万元，华南师范大学投资 1 0 0 0 万元，广州市科技局科技资金支持2 0 0 0 万元。此项目通过政府引导，企业 为主，产学研相结合，为l e d 产业发展建立了一套灵活高效的机制 1 46 a n 基自光l e d 技术发展 目在政府和业界的重视与发展下，自光l e d 技术研究得到迅速发展并取得 优秀成果，目前的研究主要集中在商业化程度最高的g a n 基白光l e d 上l e d 制造技术从产业结构来分可以分成上游中游下游三个部分上游是村底的生产制 造，中游是芯片的结构设计和制造，下游是封装与测试。当前自光l e d 的技术 发展可以主要从这三方面的发展来讲： i a 1 衬底制造技术发展 芯片的质量是衡量白光l e d 性能的主要标准，生长高质量芯片的关键在于 有高质量的衬底。因此衬底的外延制造技术一直是自光l e d 技术研究的主要方 向。外延技术发展的主要方向在于提高芯片的发光效率即内量子效率，同时降低 生产成本影响内量子效率的主要因素包括发光层量子阱的结构及晶体生长质 量。先进的m o c v d 技术为外延生长提供了有力工具。为了得到高质量的o a n 外延层，生长出更精细的发光结构，各国科学家在改进m o c v d 工艺方面作了 大量努力通过在生产中增加新杂质，改变生长速度、改变衬底温度、反应室气 压、气体流量等实验条件，得到了生长质量较好的晶体【3 2 侧 目前大量采用的宝石衬底与g a n 材料具有较大的晶格失配度和热失配，而 采用与g a n 材料晶格更加匹配的衬底材料s i 可以大大提高g a n 外延层的晶体 质量，因此s i 衬底外延技术受到研究者重视并得到了迅速发展p 瑚与采用蓝 宝石和s i c 衬底相同，在s i 衬底生长g a n 外延层也需要利用缓冲层技术”。用 s i 作为衬底材料具有很大优势，首先s i 衬底本身的价格比蓝宝石和s i c 更便宜， 同时可以在m o c v d 生产中采用更大的衬底，提高设备的利用率，而且使用s i 村底可以简化芯片的制造工艺，从而大大降低l e d 芯片生产成本。 华南师范大学硬士学位论文篇一章绪论 1 4 2 芯片结构设计与制造发展 提高单个芯片的光通量是目前提高l e d 性能的主要方向，同时芯片发出的 光必须能够出射到封装外面才能成为有效的光，因此需要通过设计更好的芯片结 构以提高光的出射率，目前制造技术发展主要围绕下面几个方向： 1 ) 克服芯片表面的全反射，提高光出射率 光从折射率大的材料射向折射率小的材料时，如果光的入射角度大于布儒斯 特角时，光线就会发生全反射l e d 中反射到芯片内部的光大部分被芯片吸收， 造成浪费，影响出射效率。对l e d 芯片外形结构采用优化设计，采用梯形结构 和表面纹理结构的芯片，能够有效克服全反射对光出射效率的影响，其中梯形结 构对于高纵横比( 芯片厚度芯片面积) 的小尺寸芯片具有很好的效果，而表面 纹理结构能够显著提高低纵横比的大尺寸芯片的光出射效率 2 ) 提高背面与侧面的发光利用效率 芯片发光层产生的光会向各个方向发射，对于透明衬底的芯片，发射到背面 的光有相当一部分被粘片材料和基座吸收，在使用不透明粘片材料和基座表面反 光率低时，发射到背面的光损失更加严重。因此在透明衬底背面镀上反射膜可 以有效提高背面发光的利用率，在倒装结构芯片中利用结构的反光作用可以提高 背面光的利用效率而芯片外加上发射碗和光子晶体可以提高侧面光的利用率。 3 ) 增大芯片面积，提高输入功率 l e d 的光衰速度与p n 结的电流密度呈指数关系，为了保证l e d 的寿命和 可靠性，在保持电流密度不变的情况下增大芯片面积能够提高l e d 输入功率， 从而增加单个芯片的光通量输出。同时必须采用芯片电极结构的优化设计，避免 出现局部电流密度过大、温度过高现象。 4 ) 降低芯片p n 结到基座的热阻 芯片p n 结温度直接影响到l e d 的使用寿命和发光效率，降低芯片p n 结到 基座的热阻可提高敷热能力，保证p n 结工作在较低温度降低芯片热阻最直接 的方法是减小p n 结与基座之问的距离，可采用村底减薄和苍片倒装的技术来达 到降低热阻的另一条途径是改用导热辜高的衬底材料 1 4 3 封装技术进展 更高亮度的l e d 带来了更大的发热量，为了更好地降低热阻解决散热问题 9 华南师范大学硬士学位论文第一章绪论 和提高光输出效率，科学家和业界在l e d 的封装技术方面做了大量的研究改进 工作1 3 t 4 0 | ，逐渐采用表面贴装式封装( s m d ) 来代替传统的引脚型封装，向大 功率封装方向努力发展，开发能够承受更大功率的l e d 封装方式，取得了良好 的科研效果和市场反应许多新的技术被开发并迅速投入使用，如采用半包装结 构，将粘接芯片的金属基座部分用绝缘材料包裹，其余裸露在空气中，具有较好 的散热效果，并且方便外接散热片，进一步提高器件的散热功率在s m d 封装 技术方面，将s m d 封装l e d 安装到金属线路板上面，可以很方便的采用大功 率l e d 阵列组合成高光通的l e d 照明光源组件，使用时，导热强劲的热沉与金 属线路板紧密结合，金属线路板在供电的同时充当了散热片，不仅具有较高的集 成度更适合在集成电路中使用，而且提高了散热效果。 1 5 自光l e d 面临的主要问题 白光l e d 的机理研究和制造技术是目前半导体科研及工业界最重视的领域之 一，新的科研成果不断被发表，优秀的新产品也不断被开发并投入市场。但是， 白光l e d 技术目前仍然未能达到日常照明的要求，距离普及还有很长的路，存在 许多需要解决的关键问题1 4 t 响。为了让白光l e d 早日达到照明要求，我们需要解 决以下几个主要方面的问题： 1 ) 提高光通量和发光效率 目前白光l e d 的光通量仍大大低于白炽灯、荧光灯和节能灯，其光效大于白炽 灯但小于荧光灯和节能灯。更大功率更加可靠的产品是提高白光l e d 使用范围、 实现照明应用的关键，为此需要通过改进大功率型的芯片结构与制造技术，生产 更高质量和更大尺寸的芯片，并提高芯片的内量子效率。 单纯地增加光功率，亮度会成比例地增加，但芯片的发热量也会随之增加， 引起严重的老化加速问题，因此在提高亮度的同时需要加强散热，并研究令更多 的电能转化为光能而不是热能另外，单个l e d 功率小，亮度低，在实际应用中 需要将多个l e d 组装在一起形成更加实用的照明系统，这就存在l e d 电路的驱动设 计、保持l e d 灯的品质稳定性以及散热等问题i 帕1 。 2 ) 改善色品质，进一步提高显色指数 l e d 发出的自光是由多种颜色根据不同的需要，按照一定比例混合在一起形 0 华南师范大学硕士学位论文第一章绪论 成的可以用色坐标、色温、显色指数等参数来衡量l 印发出的白光。当l e d 的芯 片、荧光粉等组成部分因设计制造或老化等原因产生变化，使发出的白光达不别 要求时，就会影响l e d 使用。作为照明光源用的白光l e d ，对光的品质的要求更加 严格，要求色温、显色指数等在一定范围之内因j f t 认真设计结构、严格控制生 产质量，保证光的品质在长时问内保持在要求范围之内，是白光l e d 能否被照明 市场接受的关键问题。 3 ) 提高实际工作寿命。加强产品可靠性研究 l e d 的长寿命的特点是促使其得到广泛应用的重要原因但是虽然目前白光 l e d 的寿命高于白炽灯，并与荧光灯和节能灯相差不大，但在实际工作中却大大低 于白光l e d 的理论寿命，特别是巾5 的炮弹型白光l e d ，普遍反映寿命较短。因 此在开发新产品新结构的同时，我们需要对白光l e d 的老化机理进行更深入的研 究，了解影响白光l e d 工作性能、引起白光l e d 老化的具体机理，从而为自光l e d 已有产品的技术改进以及新产品的开发提供重要的参考，保证白光l e d 产品的高 性能和高可靠性。特别是对于开发工作在更大电流和更高温度下的大功率产品， 老化机理研究显得更加重要。 4 ) 改善荧光粉，开发新产品 在目前常用的自光l e d 中，荧光粉负责将芯片发出的蓝光转换成黄光，使蓝 光与黄光混合成白光。因此荧光粉是保证l e d 光的品质的重要部分荧光粉的品 质关系到光的品质以及发光效率，具有重要地位在目前芯片技术飞速发展的同 时，需要不断改善荧光粉品质，研究具有更高转换效率和更高稳定性的荧光粉， 同时开发薪产品如紫外线激发的荧光粉等具有更高效率的产品 5 ) 降低生产难度与制造成本，加快产品开发应用 目前自光l e i ) 的生产还属于技术含量较高的行业，拥有整套技术并能大批量 生产的厂家不多，而仅仅从事封装生产的下游厂家，相对传统照明厂家来说，技 术和规模上也还相差甚远。生产难度高，加上每流明的成本大大高于白炽灯、荧 光灯和节能灯，白光l e d 作为新光源要进入庞大的照明光源市场，与白炽灯和荧 光灯相抗衡，还必须大力降低成本。 为了满足民用照明光源高光通量的要求，并且在性能、价格方面取得竞争优 势，在提高现有自光l e d 发光效率的同时，需要研制更大功率的白光l e d ，提 华南师范大学硕士学位论文第一章绪论 高单个封装l e d 的输入功率和输出光通量是l e d 向普通民用照明领域扩展的必 由之路美国o i d a ( o p t o e l e c t r o n i c sl n d u s 缸yd e v e l o p m e n ta s s o c i a t i o n ) 的研究 报告指出，当单个封装l e d 器件的输入功率达到2 7 w ，输出光通量达到2 0 0 l m ， 流明效率达到7 5 z n w 以上时，可以与自炽灯在民用照明领域竞争，当单个封 装l e d 器件的输入功率达到6 7w ，输出光通量达到1 0 0 0 【m ，流明效率达到 1 5 0t z n w 以上时，可以替代荧光灯在民用照明领域的应用，如果要完全替代现 有的各种照明光源，则单个封装l e d 的输入功率、输出光通量、流明效率必须 达到7 5w 、1 5 0 0i m 、2 0 0l 删w 以上传统结构白光l e d 的输入功率不到 0 1w ，输出光通量在1l m 左右，同民用照明领域对l e d 的性能要求有很大差 距，国外最先进的大功率白光l e d 单个封装器件输入功率已经达到5 w 量级， 输出光通量典型值也达到1 2 0l m ，流明效率在2 4l m ，w 左右。但是因为价格昂 贵，只能用于一些对价格因素不敏感的领域，远远无法满足民用照明对成本的要 求。 1 6 论文的立题意义与创新点 1 6 。l 论文立题意义 通过对半导体器件老化机理的研究来对器件进行改进创新是一种非常常用 而简单有效的方法。采用晟新设计的器件，根据实验观察其在工作中的表现。研 究引起器件实效的原因，从而根据这些原因改进器件结构，设计新型器件，以此 达到改进器件性能的目的。 对半导体器件施加大的电流应力或者温度应力，加快其老化过程是大功率半 导体器件研究常用的方法，对于l e d 加速老化实验也同样能够迅速暴露出器件 结构设计和材料的缺陷，为l e d 结构设计和材料优化提供依据和参考，但是一 直以来对其老化特性和老化机理的研究一直没有引起重视，至今还没有一套针对 白光l e d 科学有效的加速老化方法和专用的加速老化设备。适用于半导体照明 的自光l e d 如果工作在高功率、大电流密度的情况下，结构设计和材料缺陷对 器件寿命和可靠性影响将非常巨大，对老化机理和加速老化理论研究的不足已经 成为制约大功率白光l e d 产业和技术发展主要瓶颈之一 本论文正是针对半导体照明未来发展需求，围绕省级自然科学