（微电子学与固体电子学专业论文）功率型LED电学特性研究.pdf

华南师范大学硕士学位论文摘要 功率型l e d 电学特性研究 专业名称：微电子学与固体电子学申请者姓名：李军导师姓名：范广涵 摘要 1 9 9 3 年，第一只蓝光l e d 出现，1 9 9 6 年，第一只白光l e d 出现，使得 l e d 的色彩在整个可见光的范围内都得以实现。制造白光l e d 的最常用的方 法是在蓝光l e d 芯片的表面上涂覆一层黄色荧光粉( y a g ：c e 3 + ) 。随着蓝光 l e d 发光效率的不断提高，使白光l e d 的应用领域，从传统的指示领域向照 明领域转移，将取代白炽灯( i n c a n d e s c e n tl a m p ) 和荧光灯( f l u o r e s c e n tl a m p ) 成为第四代光源。正因如此，使得功率型l e d 的研究成为热点。 本论文对功率型l e d 的电学特性做了较为深入的探讨，其中的主要工作 概括如下： ( 1 ) 在l e d 电极欧姆接触中，载流子在金属电极和半导体间有不同的传 输机制，通过载流子在金属半导体界面传输机制的模拟，讨论了界面介质层 及其势垒对器件串联电阻和漏电流的影响，得到介质层电阻比起l e d 的串联 电阻小的多，可以忽略不计；但是随着器件的老化，介质层及其所含的缺陷 会产生相当大的漏电流，使器件的可靠性和稳定性下降，也为l e d 的失效机 理提供了理论依据。 ( 2 ) 通过分析影响电子溢出的因素，建立多量子阱的物理模型，得到溢 出电流表达式；考虑了外加电压与极化效应对溢出电流的影响，认为极化效 应使能带弯曲，电子溢出量子阱，溢出电流大幅度增加；也考虑了l e d 散热 和载流子屏蔽效应对溢出电流的影响；并为减小溢出电流提供了思路。 l e d 要成功走向照明领域，其封装是最后一个环节。本论文介绍了l e d 的封装流程、荧光粉以及色彩学的相关知识，对大功率白光l e d 的封装进行 华南师范大学硕士学位论文摘要 了深入探讨，从散热和出光角度分析了如何优化封装结构，并从产业化的角 度阐述了大功率l e d 的发展方向。 关键词：发光二极管；漏电流；溢出电流；荧光粉；陶瓷；硅胶 华南师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee l e c t ric a lp r o p e r t yr e a s e r c h o fhig hp o w e rl e d m a j o r ：m i c r o e l e c t r o n i c sa n ds o l i ds t a t ee l e c t r o n i c s n a m e ：j u nl i a b s t r a c t s u p e r v i s o r ：g u a n g h a nf a n i n19 9 3 ，t h ef i r s tb l u el e da p p e a r e d ，t h ef i r s tw h i t el e d a p p e a r e di n19 9 6 ，t h e n t h el e dc o l o ri nt h ev i s i b l el i g h tr a n g ec a nb ea c h i e v e d t h em o s tc o m m o n l y u s e dm e t h o do fm a n u f a c t u r ew h i t el e di st h eb l u el e d c h i pc o a t e ds u r f a c el a y e r o fy e l l o wp h o s p h o r ( y a g ：c e 3 + ) w i t ht h eb l u el e d se f f i c i e n c yi m p r o v e m e n t ， t h ew h i t el e d sa p p l i c a t i o n sf r o mt h et r a d i t i o n a li n s t r u c t i o n sa r e at r a n s f e rt ot h e l i g h t i n g ，a n dt h ew h i t el e dw i l lr e p l a c ei n c a n d e s c e n tl a m pa n df l u o r e s c e n t l a m pa sa 南u n h g e n e r a t i o nl i g h ts o u r c e s f o rt h i sr e a s o n ，t h eh i g hp o w e rl e d r e s e a r c hw i l lb e c o m eh o tt o p i c t h i sp a p e r , d ot h o r o u g hd i s c u s s i o no fh eh i g hp o w e rl e d se l e c t r i c a l p r o p e r t i e s ，t h em a i nt a s k sa r es u m m a r i z e db e l o w ： ( 1 ) i nt h eo h m i cc o n t a c t s o fl e de l e c t r o d e s ，c a r d e r sh a v ed i f f e r e n t t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mb e t w e e nm e t a le l e c t r o d ea n ds e m i c o n d u c t o r , b y s i m u l a t i n gt r a n s f e r r i n gm e c h a n i s mo fc a r r i e r si nm e t a ls e m i c o n d u c t o ri n t e r f a c e ， d i s c u s s e dt h ei m p a c t i o no ft h ei n t e r f a c i a ll a y e ra n db a r r i e rp o t e n t i a lo ns e r i e s r e s i s t a n c ea n dl e a k a g ec u r r e n to fl e d r e s i s t a n c eo fi n t e r f a c i a ll a y e rc a ni g n o r e d c o m p a r i n gw i t hl e d ss e r i e sr e s i s t a n c e ，b e c a u s ei ti sv e r ys m a l l w i t ht h ea g i n g o ft h el e d ，t h ei n t e r f a c i a ll a y e ra n dd e f e c t sc a nr e s u l tv e r ys e r i o u sl e a k a g e c u r r e n t ，l e tr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yc o m ed o w n ，a l s op r o v i d et h et h e o r yb a s i st ot h e u i 华南师范大学硕十学位论文 a b s 仃a c t l e di n v a l i dm e c h a n i s m ( 2 ) a no v e r f l o wc u r r e n ti sd e r i v e do nt h eb a s eo fm q w m o d e lb ya n a l y z i n g t h ef a c t so fi n p a c t o i nt h ee l e c t r o n so v e r f l o w , c o n s i d e r i n gt h ef o r w a r db i a sa n dt h e p o l a r i z a t i o n ，t h i n kt h a tp o l a r i z a t i o nl e te n e r g yb a n db o w e d ，t h e ne l e c t r o n s o v e r f l o wm q w c o n s e q u e n t l yt h eo v e r f l o wc u r r e n ti n c r e a s er a p i d l y ；a l s oc o n s i d e r t h ei n f l u e n c eo fh e a tr e m o v a lt ot h eo v e r f l o wc u r r e n t s o m ed i r e c t i o n sh a v eb e e n g i v e nt om i n i m i z e o v e r f l o wc u r r e n t i fl e dw a n ts u c c e s s i n gi nl i g h t i n ga r e a ，t h ep a c k a g ei st h el a s tl i n k t h i s p a p e ri n t r o d u c e st h el e dp a c k a g i n gp r o c e s s e s ，p h o s p h o r , a sw e l la sk n o w l e d g e o fc o l o rs c i e n c e ，c a r r yo u ti n d e p t hd i s c u s s i o n so ft h eh i g h p o w e rw h i t el i g h tl e d p a c k a g i n g ，d i s c u s sh o wt oo p t i m i z et h ep a c k a g i n gs t r u c t u r ef r o mt h ep o i n to fh e a t p a s s i o na n dl i g h te x t r a t i o nv i e w , a n de l a b o r a t et h ed i r e c t i o no fd e v e l o p m e n to f h i g h p o w e rl e df r o mt h ei n d u s t r yp e r s p e c t i v e k e y w o r d s ：l i g h te m i t t i n gd i o d e s ；l e a k a g ec u r r e n t ；o v e r f l o wc u r r e n t ；p h o s p h o r ； c e r a m i c ；s i l i c o n i v 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。 本人完全意识到此声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 日期：。毋年 f 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：艾注释：本学位论文属于保密范围，在年后解密适用 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：蚕孥 日期：伽舅年r 月；b 翩签名：谚尹涉 e i 期：泗歹年r 月；日 日 壤丁 喜碍s 华南师范大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1l e d 半导体照明简介 在引发了第一场产业革命“微电子革命”后，半导体技术正孕育另一场“照 明革命”。随着第三代半导体材料氮化镓的出现，半导体技术正向人类奉献出 又一成果：半导体发光二极管( l e d ) 能够作为新的光源，制成固态照明半 导体灯，给人类照明历史写下新的一页。由于半导体照明具有多种优势，在 不久的将来，半导体照明灯将取代传统白炽灯和荧光灯，成为新的普遍适用 的照明工具。 1 1 1l e d 的种类 发光二极管按照应用波长范围可以分为红、橘、黄光，蓝、绿、紫光， 紫外光和红外光。其中红、橘、黄光和蓝、绿、紫光属于可见光，紫外光和 红外光为不可见光。半导体照明主要运用的是可见光系的l e d 。 对于半导体灯来说，红光、黄光灯是低端产品，这种灯目前已实现批量 生产，其中我国的生产成本最有竞争力，已用于道路照明、装饰等特种照明。 但低成本、高亮度、大功率的白光灯才是高端产品，也是走向实用的产品。 1 1 2l e d 产品分类 l e d 灯：按用途有：室内、桥灯、航空灯、飞机内灯、机外灯、机场灯、 障碍灯、塔灯、交通灯、钥匙链灯等。按品种有：高亮度l e d 灯、标准l e d 灯、住宅用l e d 灯、隐形l e d 灯、特殊用途l e d 灯。 就照明质量来说，由于l e d 光源没有热量、紫外与红外辐射，对展品或 商品不会产生损害，与传统光源比较，灯具不需要附加滤光装置，照明系统 简单，费用低廉，易于安装。其精确的布光，可作为博物馆光纤照明的替代 品。商业照明大都会使用彩色的l e d ，室内外装饰性的白光l e d 结合室内 装修为室内提供辅助性照明，暗藏光带可以使用l e d ，对于低矮的空间特别 l 华南师范大学硕士学位论文 第一章绪论 有利。 建筑用：景观照明、建筑室内照明、建筑外部照明、庭院灯、路灯、安 全灯、紧急照明等。 由于l e d 光源小而薄，线性投射灯具的研发无疑成为l e d 投射灯具的 一大亮点，因为许多建筑物根本没有合适的地方放置传统的投光灯。它的安 装便捷，可以水平也可以垂直方向安装，与建筑物表面更好地结合，为照明 设计师带来了新的照明语汇，拓展了创作空间。并将对现代建筑和历史建筑 的照明手法产生了影响。 同时，由于l e d 不像传统灯具光源多是玻璃泡壳，它可以与城市街道家 具很好的有机结合。可以在城市的休闲空间如路径、楼梯、甲板、滨水地带、 园艺进行照明。对于花卉或低矮的灌木，可以使用l e d 作为光源进行照明。 l e d 隐藏式的投光灯具会特别受到青睐。固定端可以设计为插拔式，依据植 物生长的高度，方向进行调节。 另外，l e d 的动态、数字化控制色彩、亮度和调光，活泼的饱和色可以 创造静态和动态的照明效果。从白光到全光谱中的任意颜色，l e d 的使用在 这类空问的照明中开启了新的思路。长寿命、高流明的维持值l 万小时后仍 然维持9 0 的光通) ，与p a r 灯和金卤灯的5 0 - 2 5 0 小时的寿命相比，降低了 维护费用和更换光源的频率。另外，l e d 克服了金卤灯使用一段时间后颜色 偏移的现象。与p a r 灯相比，没有热辐射，可以使空间变得更加舒适。目前 l e d 彩色装饰墙面在餐饮建筑中的应用已蔚然成风。 l e d 显示屏：户内外全彩色三色双基色单色显示幕、全色三色单色 显示幕、资讯显示板、计分板等。 全彩色l e d 显示屏是当今世界上最为引入注目的户外大型显示装置，采 用先进的数字化视频处理技术，有无可以比拟的超大面积与超高亮度。根据 不同的户内外环境，采用各种规格的发光像素，实现不同的亮度、色彩、分 辨率，以满足各种用途。它可以动态显示图文动画信息，一利用多媒体技术， 可播放各类多媒体文件。世界上目前最有影响的l e d 显示屏，当属美国曼哈 顿时代广场纽约证券交易所，总计使用了18 6 7 7 7 6 0 只l e d ，面积为1 0 7 3 6 平方英尺。屏幕可以划分成多个画面，而同时显示，将华尔街股市的行情一 目了然呈现在公众面前。另外崛起在上海浦东陆家觜金融中心的震旦国际总 2 华南师范大学硕士学位论文 第一章绪论 部，整个朝向浦西的建筑里面镶上了长1 0 0 m 的超大型l e d 屏，总计面积达 到3 6 0 0 平方米。堪称世界第一。 标识与指示性照明：引导灯具等。 需要进行空间限定和引导的场所，如道路路面的分隔显示、楼梯踏步的 局部照明、紧急出口的指示照明，可以使用表面亮度适当的l e d 自发光埋地 灯或嵌在垂直墙面的灯具，如影剧院观众厅内的地面引导灯或座椅侧面的指 示灯，以及购物中心内楼层的引导灯等。另外，l e d 与霓虹灯相比，由于是 低压，没有易碎的玻璃，不会因为制作弯曲而增加费用，值得在标识设计中 推广使用。 汽车用：仪表板、开关背光源、多色l e d 计量器、刹车灯尾灯侧灯 头灯、指示灯阅读灯等。 背光灯：手机背光灯、液晶背光灯、掌上电脑背光灯、医疗监视器背光 灯等。 1 2 半导体照明的特点 今天，似乎全世界的目光都聚焦在l e d 这个新型的光源上，半导体照明 产品被誉为2 1 世纪的绿色照明产品。 半导体照明具有其自身的特点和优点。半导体照明技术能耗低、寿命长， 在同样亮度下，其电能消耗仅为白炽灯的l 1 0 ，而寿命则是白炽灯的1 0 0 倍，以一天点6 小时计算，一盏灯就可用5 0 年。同时半导体照明产品免维护、 易控制、启动时问短、结构牢固、发光体接近点光源( 有利于l e d 的灯具设 计) 、薄型灯具、灯具材料选择范围大、不需要加发射器、低压、没有紫外辐 射、尤其在公共环境中使用更加安全等特点。再加上l e d 光源的生产可实现 无汞化，对环境保护和节约能源更具有重要意义。 除以上特点外，半导体照明灯无频闪，对视力没有影响，在实验室、医 院、家用保健灯等领域也有广泛的前景。 l e d 照明技术是2 l 世纪最具发展前景的高技术领域之一，国际上半导 体照明产业近来年保持4 0 的增长速度，预计2 0 0 8 年全球发光二极管( l e d ) 市场将达到5 6 亿美元。如同晶体管代替电子管一样，半导体灯将逐步在一些 3 华南师范大学硕+ 学位论文第一章绪论 领域替代白炽灯和荧光灯，从而使半导体照明产业充满诱人商机。 1 3 半导体、荧光灯和白炽灯性能比较分析 爱迪生将人们带入白炽灯时代，而半导体照明的出现，将给长达1 2 0 多 年的“钨丝统治”时代划上句号。节能、环保将是未来社会工业发展的主流， 半导体照明在节能、环保方面极具发展潜力。普通的白炽灯采用的是热发光 技术，其以发热的形式浪费了9o 的能源，属“二次光源”，而半导体照明 灯属“一次光源”，其耗电量远远低于白炽灯。半导体已在电子领域完成了 一次革命，而另一次革命就在照明领域。 同传统的照明方式荧光灯、白炽灯相比，半导体照明具有其独特的 特点及优势。如下表1 - 1 所示： 表1 - 1半导体、荧光灯和白炽灯性能比较分析 发光二极管白炽灯日光灯 色温( k )可调2 5 0 0 1 。3 0 0 0 3 0 0 0 、1 0 0 0 0 类型冷发光热发光气体发光 寿命( h ) 1 0 0 0 0 01 0 0 01 0 0 0 0 反应时间1 0 l o o n sl o o m s l o o n s 可见光辐射能 1 0 1 2 7 0 5 7 02 3 7 0 量 红外辐射能量0 7 0 9 0 3 6 紫外辐射能量 0 7 0o 0 7 0 辐射能量总和 1 0 7 0 “1 2 9 5 5 9 热能 8 8 7 0 “。9 0 7 05 4 1 省电，耐震动，反反应时间慢， 反应时间较快，含有 优缺点汞会产生污染且易 应时间快，价格高耗电，易碎 碎 1 4 全球半导体照明总体技术发展情况 对于l e d 的研究和开发，国际上著名的照明公司均给予了其足够的重视， 并斥巨资投入其中，研究的焦点主要集中在新的芯片设计与制造、新发光材 料、新的封装材料及相关技术( 结构设计和工艺改进) 等方面。 4 华南师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 1日本 1 9 6 0 年第一颗l e d 诞生。继成功开发红、蓝、绿色l e d 等低端产品之后， 重点目标便是如何发出白光。历经3 0 余年，1 9 9 6 年日本日亚化学的中村博 士发明了白光l e d ，突破长久以来的技术瓶颈后，白光l e d 就成为照明界所 瞩目的新兴光源。过去l e d 普遍用于信号指示，如今已造成照明科技的指针。 在1 9 9 6 年9 月同本同亚化学将白光l e d 商品化之后，l e d 照明产业进入了 新的发展阶段。 目前广泛被用来生产白光l e d 的技术是由同亚化学提出的，这种方式是 在i n g a n 蓝光( 4 6 0 n m ) l e d 晶粒上涂上一层薄薄的y a g 萤光物质，这些萤 光物质会吸收部份或是全部的蓝光辐射能量而产生出白光所需的互补色彩 黄光( 5 5 5 n m ) 。由于只使用单一颗l e d 晶粒，其驱动电路就像单颗l e d 一样简单。不过其缺点是部份蓝光能量在转换成黄光的过程中会损失掉，目 前发光效率只有1 0 1 5 1 m w 。 此外，日本住友电气亦在1 9 9 9 年1 月研发出使用z n s e 材料的白光l e d ， 其技术是先在z n s e 单晶基板上形成c d z n s e 薄膜，通电后使薄膜发出蓝光， 同时部分的蓝光与基板产生连锁反应，发出黄光，最后蓝、黄光形成互补色 而发出白光。由于也是采用单颗l e d 晶粒，其操作电压仅2 7 v 比g a nl e d 的3 5 v 要低，且不需要荧光物质就可发出白光，因此一般预料将比g a n 白光 l e d 更具价格上的优势。其缺点是发光效率仅8 1 m w ，寿命也只有8 0 0 0 小时。 1 4 2 美国 美国“半导体照明国家研究项目 由美国能源部制定，计划用1 0 年时 间，耗资5 亿美元开发半导体照明，参加者包括1 3 个国家重点实验室、公司 和大学。实施该计划的目的是为了使美国在未来照明光源市场竞争中，领先 于日本、欧洲及韩国等竞争者。计划的时间节点是，2 0 0 2 年2 0l m w ，2 0 0 7 年7 5l m w ，2 0 1 2 年1 5 0l m w ( 见下表卜2 ) 。 5 华南师范大学碗士学位论文 第章绪论 表卜2 美田“半导体照明国家研究项目”计划 发光效率( i n w ) 寿由( b ) 光通量( i r a ) 输入功率( w ) 光避价格( s ：l d m ) 熙明成年( 5 ) 显色指数 进入的照明啊蝎 l5 0 0 0 0 t 0 0 0 67 5 5 从2 0 0 0 年到2 0 2 0 年，美国半导体照明计划预计将取得如下成绩：累计 的功效和节约潜力将减少25 8 亿吨碳污染物的排出：少建1 3 3 座新的电站； 预计到2 0l 0 年，5 5 的白炽灯和荧光灯被半导体灯取代，剑2 0 2 5 年，固态照 明光源的使用将使照明用电减少一半，每年节电额达3 5 0 亿美元；累计节约 财政丌支1 1 5 0 亿美元；形成一个每年产值超过5 0 0 亿美元的半导体照明产业 市场；带柬高质罱的数以百万计的工作机会。 1 4 3 欧盟 英囡巴思大学研制成功一种能够发出人造太阳光的发光二极管。专家表 示，一旦这种发光二极管的应用得到普及，那么固长时自j 在办公室或工厂的 人造光环境下工作而导致的头疼以及眼睛疲劳等现象，将有望得到解决。这 项经过5 年时间研制成功的新技术称为电晶体光技术。利用电晶体光技术， 不仪能够全天2 d 小时为住家与办公室带来自然光，而且可咀为能源消耗节约 数1 0 亿英镑的开支。据专家介绍，发出黄色可见光谱的传统电灯泡不久将成 为历史，它的位置将由发光二极管取代。 英国剑桥大学科学家汉弗莱斯教授正研制的新型半导体照明灯，可把二 氧化碳等温室气体的排放量减少1 5 。发光二极管( l e d ) 是种可将电压转 变成可见亮光的装置。由于太阳能很容易提供它需要的电压，l e d 可以不靠 火力发电从而削减潜在温室气体排放。科学家正在研制一种基于氮化镓的 新型照明材料。氢化镓是一种可以释放强光的化台物，它有可能成为继硅之 6 华南师范大学硕士学位论文第一章绪论 后最重要的新型电子材料。使用氮化镓的晶体制造l e d ，可以提高照明灯亮 度，减小能耗，而且更加耐用。 德国欧司朗光半导体公司认为，发光二极管( l e d ) 的发光效率2 0 0 7 年 将达到1 0 0 1 m w ，并对其开发前景进行了展望。这一数值将远远超过液晶面 板背照灯中使用的冷阴极荧光管( c c f l ，约7 0 1 m w ) 。该公司正在开发的l e d 背照灯l e d 模块对红、绿、蓝3 色l e d 芯片进行了单芯片封装。色彩表现范 围与n t s c 规格相比高过1 0 0 。如果发光效率能够达到1 0 0 1 m w ，那么色彩表 现范围比使用c c f l 高、耗电量更低的背照灯将在2 0 0 7 年亮相。 1 4 4 韩国 韩国“g a n 半导体开发计划”从2 0 0 0 年至2 0 0 8 年，由政府投入4 7 2 亿 美元，企业投入7 3 6 亿美元。研究项目包括以g a n 为研究材料的白光l e d ， 蓝、绿光l a s e rd i o d e 及高功率电子组件h e m t 三大领域，分别由 k n o w l e d g e * o n 、s a m s u n g 公司及l g 公司负责进度管理。到2 0 0 8 年，l e d 发 光效率达8 0 1 m w 。 早期韩国的l e d 研究和发展都是由韩国的l g 公司和韩国三星公司共同执 行的。这两个国内公司继续主导着韩国消费者的电子电器工业和l e d 工业， 连同国内的几所大学，工程由韩国科学和标准研究所于1 9 9 3 - 1 9 9 6 年实施。 到了现阶段，从2 0 0 1 年开始涉及l e d 工业的合作公司已经达到3 4 0 家。 这给韩国单是i i i n i t r i d e 工业的研究与开发提供约1 0 0 0 个人才。现在的主 要研究课题包括高效率，高可靠性的设备，紫外l e d s ，硅基g a n 及其它非蓝 宝石衬底，z n ol e d s ，高动力包和模，蓝光l e d 的磷光粉。 k o p t i 是当前发展的主要中心枢纽。由政府支持的组织机构位于在韩国 西南部的光州( g w a n g j u ) ，是专门从事光子学工业研发的中心。它扮演的角 色是帮助商业基础和应用光子学技术建立一个先进的以技术为基础的机构和 实施综合工业支持系统。该中心占地3 5 ，6 4 0 平方米，包括1 7 8 9 平方米的无 尘室( c l e a n r o o m ) ，k o f r i i 拥有3 8 4 件设备，总资产达到6 5 0 0 万美元，每年 有权使用2 0 0 0 万美元的债券。拥有的雇员中有7 0 个是博士，这个数字将在 2 0 0 8 年增长到1 5 0 个。设备覆盖了整个l e d 生产线的方方面面，从i n p ，g a a s 7 华南师范大学硕士学位论文 第一章绪论 到g a n 外延生长2 4 英寸基地。国家政府承担7 3 的费用，光州市承担1 6 5 的费用，剩下的l o 4 费用的工业界承担。 1 4 5 国内的发展 据悉，台湾l e d 产业发展快速，2 0 0 7 年产值达新台币5 3 8 9 1 亿元，约 占全球总产值2 5 2 ，预估2 0 1 0 年产值可逾8 8 6 亿元。为协助产业发展，台 湾经济部2 0 0 7 年起推动为期4 年的辅导计画，除协助促成国际合作，也着手 制定相关的国家标准，2 0 0 9 年起可望建置发光二极体照明相关检测验证能 量。 台湾l e d 产业自1 9 8 6 年起，从下游往中、上游发展，约十年前建立起涵 盖上、中、下游的完整生产裂造链，2 0 0 0 年起达到产量全球第一，产值全球 第二的佳绩。台湾经济部工业局表示，根据统计2 0 0 7 年全球l e d 产值为6 6 7 8 亿美元，台湾l e d 产值为新台币5 3 8 9 1 亿元，约占全球2 5 2 ，预估2 0 1 0 年台湾l e d 产值将可达新台币8 8 6 1 6 亿元。为建构整体白光l e d 产业竞争力， 工业局去年起推动为期4 年的r 白光l e d 照明产业发展辅导计画j ，推动产业 发展与产业联盟、举办产业座谈会。在产业标准与检测验证制度建置方面， 台湾工业局表示，目前台湾已有3 家业者可提供白光l e d 照明光特性检测服 务，预计2 0 0 9 年可再建置发光二极体照明光辐射j 安全测试系统。工业局 表示，目前白光l e d 照明国家标准还不完整，工业局计画制定发光二极体 照明器与照明系统之光辐射安全j 检测验证草桉，逐步建立量测方式和光辐 射安全危害分级。 中国大陆对发展白光l e d 高度重视。我国发光二极管起步于2 0 世纪6 0 年代，8 0 年代形成产业，9 0 年代已具相当规模。在9 0 年代后期，我国超高 亮度l e d 产业迅猛发展，经历了进口器件销售一进口管芯封装( 1 9 9 8 年前1 0 0 进口) 一进口外延片制管芯、封装一自主生产四个阶段，目前我国l e d 产业 的技术水平与发达国家相差3 年左右。科技部实施的“8 6 3 ”、“9 7 3 计划主 要从事蓝光、白光l e d 材料的研究和开发，“十五”期问国家几个部委联合推 出“中国国家半导体照明工程”并于2 0 0 3 年6 月成立了“半导体照明工程协 调领导小组”。该计划分近期、中期和远期投入，近期计划名称为“中国国家 8 华南师范大学硕士学位论文第一章绪论 半导体照明工程”，为期二年( 2 0 0 3 - - 2 0 0 5 ) 国家投入经费为1 2 0 0 0 万元；中期 规划将实施于国家的第十一个五年计划中( 2 0 0 6 - - 2 0 1 0 ) ，以一个平台两条链 ( 研发+ 产业) 为主体，产业界的研发目标为10 0 1 m w ，研究所为1 2 0 1 m w ，市 场价格目标为0 0 5 元人民币流明；远期方面，实施国家固体照明战略，将 于2 0 2 0 年前投入经费5 0 亿1 0 0 亿人民币，研发目标为1 6 0 2 0 0 1 m w ，市场 价格目标为0 0 1 5 元人民币流明。据悉，现在全国从事半导体l e d 器件及照 明系统生产的规模以上的企业有2 0 0 0 多家，且产品封装在国际市场上己占有 一定的份额。另外，我国具有丰富的有色金属资源，镓、铟储量丰富，占世 界储量的7 0 - - 8 0 ，这使我国发展半导体照明产业具有资源上的优势。我国 照明用电每年在3 0 0 0 亿度以上，如果半导体照明进入1 3 的照明市场，就意 味着每年节约1 0 0 0 亿度，相当于一个总投资超过2 0 0 0 亿三峡工程全年的发 电量，这对于能源十分紧张的中国来说，无疑具有十分重要的意义。 9 华南师范大学硕士学位论文第二章l e d 特性与芯片研究进展 第二章l e d 特性与芯片研究进展 2 1 发光二极管的工作原理 发光二极管是结型电致发光器件，它的主要结构是p - n 结i lj 。图1 1 a 表 示热平衡状态下p - n 结的能带图。图中e v n 、e v p 表示价带，e c n 、e c p 表示 导带，睇表示费米能级，e 。表示施主杂质能级，e 。表示受主杂质能级，e 。表示 禁带宽度，在n 区导带上，实心点表示电子，在p 区价带上，空心点表示空 穴。在热平衡状态时，n 区和p 区费米能级是一致的。图1 1 b 表示在图1 1 a 上加正向电压( 电池的负电电极连接在n 区，正电电极连接在p 区) 时，p - n 结势垒降低，结果出现了n 区电子注入到p 区，p 区空穴注入到n 区的非平 衡状态。被注入的电子和空穴称为非平衡载流子( 又称为少数载流子) 。在室 温下，n 区导带底附近的浅施主能级e 。被电离，并向导带提供大量电子，因 此，在n 区中多数载流子是电子。同样，在p 区中，浅受主能级e 向价带提 供大量空穴。p 区的多数载流子是空穴。在p n 结附近，当非平衡载流子和 多数载流子复合时，便把多余的能量以光的形式辐射出来，这就可以观察到 p n 结的发光。 e l e c t r o ne n e r g y 专d i s t a n c ei n t od e v i c e e l e c t r o ni nc b oh o l ei nv b 图2 - 1l e d 的发光原理示意图 一般在p - n 结中，扩散长度远远大于势垒宽度，电子和空穴通过势垒区 时因复合而消失的几率很小，继续向扩散区扩散。在扩散区内，非平衡载流 1 0 华南师范大学硕十学位论文 第二章l e d 特性与芯片研究进展 子和多数载流子复合可以分为辐射复合和非辐射复合。辐射复合是复合时把 能量以光能的形式辐射出来，就是p - n 结的发光。辐射复合主要有三种类型 2 1 ：( 1 ) 电子和空穴由于碰撞而复合，它分为不通过声子的复合( 直接跃迁 型) 和必须通过声子为媒介的复合( 间接跃迁型) 。直接带隙材料如g a a s 的 发光为直接跃迁型。注入的电子和空穴直接复合而发光。而间接跃迁必须借 助于一定的能量和动量的声子，以保证跃迁时能量和动量守恒。间接跃迁时 声子和光子的相互作用必须同时发生，其跃迁几率比直接跃迁几率低得多。 所以，一般发光二极管采用直接带隙材料；( 2 ) 通过杂质能级发光。注入的 少数载流子先被俘获到发光中心，然后复合发光；( 3 ) 激子复合。如g a p 发 红光和绿光就是这种类型。发光二极管的发光称为注入式发光。此外，还有 一部分少数载流子复合时复合的能量以热能形式，通过晶格散发，这个过程 称为非辐射复合。非辐射复合包括阶段地放出声子地复合，俄歇复合和表面 复合。实际晶体中，由于有害的金属及晶体缺陷，电子会落到禁带中的许多 能级上，声子也就阶段性地产生。俄歇过程是有晶格缺陷或自由载流子的情 况下发生的。实际器件的发光效率之所以低，晶格缺陷的影响是很大的。发 光效率( 内量子效率) 取决于辐射复合和非辐射复合的比例。所以，为了提 高发光效率，应尽量减少与非辐射复合中心有关的缺陷及杂质的浓度。可见， 制备高完整性的晶体是制造高效发光二极管的重要环节之一。 目前常见的l e d 在结构设计上往往会加入特殊设计的发光层以提升发 光效率，发光层的结构常为多个量子阱所组成。如图2 - 2 所示，量子阱的目 的在于限制电子与空穴的流动，可精确控制l e d 的发光波段并提升电子空穴 的复合率。 华南师范大学磺士学位论文第二章l e d 特性与芯片研览进展 q u a n 虹m w e l l 麓。簪，竺贮 ! = 现羔、； 瓦 惑轨蠹 图22m q w - l e d 结构和能带示意图 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 发光强度等。 2 1 ，1 光谱特性 光谱特性直接决定发光二极管的发光颜色和流明效率。发光二极管光谱 特性指发光的中心波长和光谱宽度。发光二极管的发光是带间跃迁或带边发 射的，其发光中心波长 与禁带宽度e 。( e y ) 之间满足如下关系： 旦；! ! 竺f 。1 。、 。 式中h 为普朗克常数，c 为光速。在可见光( 为4 0 0 7 0 0 n m ) 范围内，相 对应的禁带宽度e g 为i8 3 1 e v 。选取禁带宽度不同的材料，可以得到不 同波长的l e d 。 二极管发光的中心波长还随着温度上升向长波侧移动，光谱宽度也随之 增加【”，这是带隙宽度，载流子能量分布和晶格振动等因素相互作用随温度 变化的结果。一般高亮度发光二极管发光光谱宽度小于4 0 h m 4 1 。 2 1 2 电学特性 电学特性主要包括工作电压，反向饱和电流以及伏安特性。 1 2 华南师范大学唾学位论立第= 章l e d 特性与芯片研究进展 二极管的反向电流有多种产生机制，主要有：扩散电流，耗尽区内的复 合电流，p - n 结表面复合电流，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 - n 结的表面状态。反向饱和电 流越小，器件的性能越高。 双异质结和多量子阱结构发光二极管的伏安特性与同质p - n 结的伏安特 性具有相同的整流特点。发光二极管属于小电流注入，正向电压与正向电流 的关系式为： 1 = l o e x p ( e v n k n l 】 n 是复合因子。当n = 2 时复合电流起支配作用；n = l 时扩散电流起支配作 用。伏安曲线反映了载流子输运和复合机制，如圈2 - 3 所示。 图23l e d 的i _ v 特性曲线 用于大屏幕显示的发光二极管，对工作电压，光谱特性及伏安特性要求 很高，一般要求发光二极管能抵抗一定的电压冲击，较一致的电压和光谱特 性。人眼不能分辨出其亮度和颜色的区别。 2 1 3 发光效率 发光效率包括内量子效率和外量子效率。 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之间内注入的 电子一空穴数之比；外量子效率是指发光二极管辐射到外部的光子数与通过 华南师范大学硕士学位论文第二章l e d 特性与芯片研究进展 p - n 结的电子一空穴对数之比。 辐射复合产生的光子在向外发射时会有所损失，主要有以下三个方面【5 】： ( 1 ) l e d 材料内部吸收；( 2 ) 光从半导体行进到空气时由于折射率的差异引 起的反射损失；( 3 ) 入射角大于临界角的光在半导体与空气界面发生全反射 引起的发射光子损失。 2 1 4 发光强度 发光强度是在指定方向上单位立体角内发射的光( 或者辐射) 通量。在 注入电流一定时，从发光二极管中单位立体角内辐射出的光子数越多( 即外 量子效率越高) ，其辐射的光通量就越大，发光二极管的发光强度就越大。因 此，在波长一定时，发光强度与外量子效率相联系。 2 2g a n 基l e d 芯片研究的最新进展 2 2 1 纹理处理 在倒装l e d 结构中，表面出光，光的提取效率有了大幅度提高【6 。，但是蓝宝 石和空气的折射指数分别为1 8 和1 ，光出射的全反射角仅为3 3 8 0 ，射向衬底 的光有很大一部分被反射最终被体材料吸收为了改善这种状况，d a e s e o b h a n 等人用干法刻蚀( t o p ) 对蓝宝石衬底进行纹理处理【_ 7 1 ，芯片表面纹理的基 本单元为倒梯形结构，光子的反射路线被封闭在这样的结构之中，有源层的光 子通过不同的表面直接射出，或经过多次反射后改变入射角射出，如图2 4 所示，增加了光子的逃出几率，其出光效率达n 4 0 2 ：同时i c p 亥1 蚀不影响 l e d 的电学特性纹理表面结构不影响光束角特性，因此纹理结构l e d 不但可以 取代常规放大芯片，而且很容易按比例放大成为大功率大尺寸芯片 1 4 华南师范大学碰士学位论文第二章l e d 特性# 片研究进展 图2 - 4 蓝宝石 i 底进行纹理处理嘲2 - 5 干法刻蚀纹理处理p 型g a n 对正面出光的l ，e d 来说，项盖层g a n 的折射率是2 5 ，光通过g a n 出射全反射 角是2 3 。，仍然有大部分光不能出射，在l e d 内反射宜到被吸收为了提高j 下面 出光效率，有人用干法刻蚀纹理处理p 型g a n 顶盖层【8 l 但是在钝化工艺中，刻 蚀损伤会在g a n 中引入空位、杂质等缺陷凹：而且g a n 层比较薄，不易控制刻蚀 深度s e o k i nn a 等人_ j 湿法刻蚀对p 型g a n 顶盖层纹理处理i l q ，如图2 5 所示 在p 型g a n 上腐蚀出了一些六角腐蚀坑对处理过的样品进行测试，光输出效率 提高2 94 ：体电阻减小，表明纹理处理优化了欧姆接触这是因为p 型g a n 顶盖 层和金属层的接触面积增人，使得空穴浓度增加而且除去了一些能为反向漏 电流提供路径的表面缺陷，降低了反向漏电流 y j l e e 等人【l ”用湿法刻蚀将蓝宝石衬底刻蚀成v 字形，然后涂一层a 1 做为反射镜，如图2 6 所示出光效率比普通l e d 高14 倍又有人将pg a n 和 n g a n 缓冲层都进行湿法刻蚀处理，然后用晶片键和激光剥离技术制作l e d ”】 如图2 7 所示当注入电流为2 0 m a 时，其出光效率是未经处理l e d 的2 ，7 7 倍 s j r e 圈2 6 蓝宝石衬底刻蚀成v 字形 2 2 2 短周期超晶格技术 圈2 7p _ c a n 和n - g a n 进行湿法刻蚀 g a n 基l e d 虽然其发光效率很高，但是通常l e d 都在蓝采石衬底上外延生长， g a n 与蓝宝石晶格失配度较大，热膨胀系数也有差异，导致外延层中含有大量 的缺陷，包括点缺陷线缺陷和表面态，位错密度高达1 0 ”e m ”。甚至穿透位错 1 5 苜 糕 华南师范大学碰士学位论文 第= 章l e d 特性与甚片研究进展 ( t d ) 延伸至有源区，很大程度上降低了辐射复合效率，出光效率以及器件的稳 定性与可靠性c h e n g l i a n gw a n g 等人1 1 3 】在g a n 缓冲层上生长a i g a n - g a n 短周 期超晶格，然后在超晶格上生长l e d ，电学和光学性能有很好的优化由于短周 期超晶格的插入，t d 在超晶格出堙灭，超晶格