GaN基高亮度白光发光二极体.ppt

GaN基高亮度白光發光二極體,-照明領域的又一次革命,葉國光,半導體發光二極體及其發展歷史,發光二極體Light-EmittingDiode是由數層很薄的摻雜半導體材料製成。當通過正向電流時，n區電子獲得能量越過PN結的禁帶與p區的空穴複合以光的形式釋放出能量。,發光效率lm/w,12.5,55,發光二極體的發展,第三代GaN半導體材料特點,寬頻隙化合物半導體材料，有很高的禁帶寬度（2.36.2eV)，可以覆蓋紅、黃、綠、藍、紫和紫外光譜範圍，是到目前為止其它任何半導體材料都無法達到的高頻特性，可以達到300GHz（矽為10G，砷化鎵為80G）高溫特性，在300正常工作（非常適用於航太、軍事和其它高溫環境）電子漂移飽和速度高、介電常數小、導熱性能好耐酸、耐鹼、耐腐蝕（可用於惡劣環境）高壓特性（耐衝擊，可靠性高）大功率（對通訊設備是非常渴望的）,GaN固體光源的應用,半導體白光照明車內照明交通信號燈裝飾燈大螢幕全彩色顯示系統太陽能照明系統其他照明領域紫外、藍光雷射器高容量藍光DVD、鐳射列印和顯示、軍事領域等,LED照明的優勢,發光效率高，節省能源耗電量為同等亮度白熾燈的10%-20%，螢光燈的1/2。綠色環保冷光源，不易破碎，沒有電磁幹擾，產生廢物少壽命長壽命可達10萬小時固體光源、體積小、重量輕、方向性好單個單元尺寸只有35mm回應速度快，並可以耐各種惡劣條件低電壓、小電流,半導體照明是21世紀最具發展前景的高技術領域之一,日本、美國、歐盟、韓國等國家和地區都相繼制定了本國的半導體照明計畫我國科技部於2003年6月成立“國家半導體照明工程”協調領導小組，在“十五”期間，從國家層面推出“半導體照明工程”如果我國1/3照明應用半導體照明，每年可以節約的電量1000億度，多於一個三峽水電站的發電量（800億度）,半導體照明具有巨大的市場潛力,預計到2005年全球LED市場需求量約為2000億隻，市場需求將以每年30%的速度遞增，世界許多公司都積極投入LED的研發生產。,主要有日本的日亞化學、住友電工、豐田合成、羅沐、東芝和夏普，美商Cree，全球3大照明廠奇異、飛利浦、歐司朗以及HP、Siemens、Research、EMCORE等,高亮度白光發光二極體的製造工藝,制約GaN基LED發展的因素,高亮度白光LED的實現,基於藍光LED，通過黃色螢光粉激發出黃光，組合成為白光,通過紅、綠、藍三種LED組合成為白光,基於紫外光LED，通過三基色粉，組合成為白光,發光二極體的製造工藝過程,製造襯底,封狀成成品,製造晶片,製造發光二極體外延片,例如GaAs、Al2O3、SiC等,例如MOCVD,一片2直徑英寸的外延片可以加工10000多個LED晶片,GaN外延片生長技術,GaN外延片的生產主要採用薄膜沉積的方法,HVPE（鹵化物氣相外延）MBE（分子束外延）MOCVD（有機金屬化學氣相沉積）,生長溫度低（600oC）、可精確控制薄膜厚度和組分、p型薄膜摻雜濃度高，適於生長要求界限分明、組分控制精度高的器件結構。生長速率太慢,Nakamura等設計的垂直雙流MOCVD常壓反應器,晶片製造工藝,日亞公司1994年首創的GaNLED晶片結構,2001年Lumileds公司研製的功率型大面積晶片到裝結構,功率型大面積晶片到裝結構的優點,功率型大面積晶片到裝結構1.採用背面出光避免了p面歐姆接觸電極吸收和n面鍵合引線遮擋而且可以增加歐姆接觸層的厚度降低正向電壓降2.可以採用高反射率的金屬作為p型歐姆接觸電極和光學反射層。3.採用矽片作為GaN晶片到裝的載體矽片與藍寶石具有相同的熱膨脹係數，可以採用矽旁路二極體保護晶片不受靜電衝擊，而且矽片易加工可採用工業化標準工藝4.用大面積晶片加大工作電流獲得大功率的性能,傳統結構的晶片取光效率和發光效率不高，因為p電極和n電極在外延表面的同一側，正面射出的光會被p面接觸電極吸收和n電極的鍵合引線遮擋。*p面歐姆接觸電極p型GaN層的電導率低，外延層表面須覆蓋半透明的NiAu歐姆接觸層來滿足電流擴展的需要。,一體化插入式並聯柵狀電極,一體化插入式並聯柵狀電極可以通過減小電流擴展距離來減小擴展電阻，從而提高發光效率,封裝技術,管殼及封裝是大功率LED關鍵技術之一。美國Lumileds公司研製的的大功率LED封裝結構採用與常規的LED不同的全新的封裝技術。它是將LED晶片焊接在具有焊料凸點的矽載體上，再將其直接裝在熱沉上，使大面積晶片能在大電流下工作，並使其熱性能得到改善。這種封裝對於取光效率，散熱性能和電流密度的設計都是最佳的。,長壽命、高效率、高電流密度、高亮度,熱阻低熱阻僅有14oC/W，是常規5mm型LED的1/20可靠性高內部填充穩定的柔性凝膠體，在-40120oC範圍內不會使金絲和框架引線斷開。反射杯和透鏡的最佳設計使輻射圖樣可控制和光學效率最高常規型LED在大電流（150mA）下工作幾個小時就出現明顯退化和永久失效，而這種封裝的LED即使在1A電流下工作也不會出現功率下降和失效。,大功率LED封裝結構的特點,GaN基發光二極體還存在的問題,價格過高至少應從目前的1$/個降至0.2$/個發光效率還不夠高至少從目前的50100lm/w提高到200lm/w性價比低還不到民眾普及的時刻使用低壓直流電，與現有的照明系統不同半導體照明的壽命實際上還涉及多方面的問題，與10萬小時的理論壽命有差距,2001年建成的由18,677,760個LED組成的世界上最大的顯示幕,謝謝！,發光二極體是由數層很薄的摻雜半導體材料製成。當通過正向電流時，電子與空穴複合以光的形式釋放出能量。,半導體發光二極體及其發展歷史,1965年世界上的第一隻商用化LED誕生，用鍺製成，單價45美元，為紅光LED，發光效率0.1lm/w（流明/瓦）1968年利用半導體摻雜工藝使GaAsP材料的LED的發光效率達到1lm/w,並且能夠發出紅光、橙光和黃光1971年出現GaP材料的綠光LED，發光效率也達到1lm/w80年代，重大技術突破，開發出AlGaAs材料的LED，發光效率達到10lm/w90年代初，發紅光、黃光的GaAlInP和發綠、藍光的GaInN兩種新材料的開發成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，它們做成的LED光效分別達到100lm/w和50lm/w90年代中期出現以藍寶石為襯底的GaN藍光LED，到