氮化镓基半导体照明LED及其应用产业化

1、氮化钱基半导体照明L ED及其应用产业化摘要：文章分析了照明用半导体LED的外延、芯片及封装等相关技术，介绍了在光谱特性、散热性能、出光技术等方面的探索，提出了一些具体的解决方案，并对LED的产业化生产进行了讨论。关键词：半导体照明封装1 前言发光二极管(LightEmittingDi ode, LED)是可以直接将电能转化为可见光和辐射能的发光器件，具有工作电压低、耗电量小、响应时间短、光色纯、结构牢固、抗冲击、耐振动、性能稳定可靠、重量轻、体积小等一系列特性。近年来，LED发展突飞猛进。其中基于氮化线G a N材料的高亮度功率型半导体照明是化合物半导体乃至整个光电子和半导体产业界的研发热点

2、，发展前景极其广阔。与传统照明技术相比，这种新型光源具有高效节能、长寿命、小体积、易维护、环保、安全、耐候性好等优势，被公认为是极具发展前途的照明光源。随着北京市各项奥运工程的深入开展，新一代城市景观照明灯、大屏幕全彩显示屏、户内外公共场所信息指示牌等众多应用将进一步加大对高亮度半导体照明光源的需求量，LED在民用照明领域内的应用也将进一步得到推广。2、国内外研发进展在高亮度及功率型LED研发方面居于国际先进水平的公司主要分布在美国、日本、欧洲和韩国，代表性的公司有：美国的Lumi leds, Cree, Agi lent公司，日本的N ichia,ToyoTa G o s e i公司，欧洲的

3、0 s r a m , Philip s公司等。这些跨国大公司多有原创性的专利，引领技术潮流，占领绝大多数的市场份额。台湾的一些光电企业，如AET, Arima, Epistar , E p i t e c h等也起步较早，在下游工艺和封装以及上游材料外延方面具备了若干自主知识产权，也占有一定的市场份额。最近12年内，韩国LG, Innotech, Samsung, Epiplus , E p i v a 1 1 e y等公司的相关技术优势更加突出。我国在功率型LED芯片，特别是GaN基高亮度蓝绿色、紫色管芯芯片及半导体白光照明灯具方面的研究正在迅速发展。代表性的企业主要有：方大国科、华光、蓝

4、宝、路美、Podium、厦门三安、上海蓝光等。在传统的蓝绿色LED市场中，此种LED在我国特别是珠江三角洲地区有大量的封装厂和产品销售，但是芯片大多由台湾和韩国进口。由于该类低价芯片一般为功率水平较低的低档产品(7 0mW电功率输入下，蓝绿光的发光功率为13mW),在车载仪表显示、高品质大屏幕应用等方面不具有竞争力。在各种LED照明领域，其产业链正处于初步发展的阶段。世界各国、各地区的生产厂商均在加大研发力度。而我国在该领域则刚刚起步，面向半导体照明的大功率管芯产品几乎还是空白。3、LED技术原理组成物质的基本粒子、原子和电子在电场的作用下会发生能态跃迁，当它们从高能态回到低能态时，多余的能量

5、会以光的形式释放出来，产生电致发光的现象。20世纪20年代，法国科学家0 W LOS SOW就发现了碳化硅材料的电致发光现象。直到20世纪40年代，随着材料与器件工艺的发展，才研制成功碑磷钱发光二极管。LED的核心发光部分是由p型和n型半导体构成的p-n结管芯，当注入p - n结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光、紫外光或近红外光。到上世纪90 年代，采用双异质结与多量子阱结构，提高了发光二极管的亮度，之后，又通过MOCVD技术在蓝宝石与碳化硅的衬底上成功生长了具有器件结构的氮化镓基的发光二极管外延片，制造出亮度很高的蓝绿光发光二极管。实际上，LED产生的所有光并不是都可以释放出来

6、的，这主要取决于半导体材料的质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料。如常规5 mm型L ED封装是将边长0 . 2 5 mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝，键合为内引线与一条管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封。反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。顶部包封的环氧树脂做成一定形状。由于管芯折射率与环氧树脂折射率相差较大，致使管芯内部的全反射临界角很小，其有源层产生的光只有小部分被取出，大部分在管芯内部经多次反射而被吸收，导致光的过多损失。选择不同折射率的封装材料及封装几何形状对光子逸出效率

7、的影响是不同的，发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。若采用尖形树脂透镜，可使光集中到LED的轴线方向，相应的视角较小；如果顶部的树脂透镜为圆形或平面形，其相应视角将增大。一般情况下，LED的发光波长随着温度变化为0 . 20. 3 nm/C,光谱宽度也随之增加，影响颜色鲜艳度。另外，当正向电流流经p - n结，发热性损耗使结区产生温升，在室温附近，温度每升高1 C, LED的发光强度会相应减少1 %左右。目前，很多功率型LED的驱动电流可以达到7 0 mA、10 0mA甚至1 A级，需要改进封装结构，借助全新的LED封装设计理念和低热阻封装结构及技术，改善热特

8、性。4 LED关键技术问题4.1 光谱特性要作为照明光源，半导体LED常规产品的光通量与白炽灯和荧光灯等通用性光源相比，目前距离甚远。因此，关键要将其发光效率、光通量提高至现有照明光源的等级。半导体照明LED所用的外延材料采用 MOCVD的外延生长技术和多量子阱结构，其特点是高光功率输出、优异的光谱特性。光谱特性是指发 光波长的稳定和极窄的光谱半高宽。发光二极管中心波长随注入电流变化是外延片材料制备过程中遇到的关键难题之一。众多商品化的L ED芯片发光的中心波长一般随注入电流增大而造成发光波长的严重不稳定性。止匕外，LED芯片电致发光光谱的半高宽也是衡量外延片质量的重要参数之一，半高宽越窄，发

9、光颜色越纯。高质量的I n G a N /Ga N多量子阱有源区生长是G a N材料研究中的难点，也是各研究小组和生产厂商的核心技术。 采用了新型量子阱结构的芯片，在注入电流由2 12 0mA变化时，中心发光波长移动小于1 n mo上述芯片2 0 mA注入下的电荧光光谱的半高全宽仅为1 8 n m,并且随注入电流变化(2 1 2 0mA)仅为1 nm。同时，均匀性与重复性是外延片产业化技术中的重要评价指标。实现规模化生产、要求在高质量外延片的产业化能力方面须具有雄厚的技术基础和保证，从而使外延片的成品率大大增加。4.2 散热技术传统的照明器件散热问题很容易解决，白炽灯、荧光灯在使用过程中灯丝达

10、到非常高的温度，发出的光包含红外线，可以通过辐射的方式散发热量。如白炽灯泡8 5 % 9 0 %的热量是通过辐射散出的。但是LED的发光机理不同，是靠电子在能带间跃迁产生光，其光谱中不包含红外部分，所以其热量不能靠辐射散出，因此，LED又被称为“冷”光源。 但是，目前L ED的发光效率仅能达到1 0%2 0%,还有8 0%9 0 %的能量转换成了热量。由于传统LED的管芯功率小，需要散热也小，因而散热问题不严重。目前制作的大功率白光L ED的芯片尺寸大多在1 mmX 1 mm以上，单个器件的耗散功率在1W以上，如果简单地把封装尺寸也按比例放大，芯片的热量不能散出去，会加速芯片和荧光粉的老化，还

11、可能导致倒装焊的焊锡熔化，使芯片失效。而且，当温度上升时，LED色度变差，随着蓝光波长变动，YAG荧光粉吸收率下降，总发光强度会减少，白光色度变差。同时将会因为散热不良而导致芯片结温迅速上升，环氧碳化变黄，从而加速器件的光衰直至失效，甚至因为迅速的热膨胀所产生的应力造成开路而失效。因此， 对于大工作电流的半导体照明LED芯片，低热阻、散热良好及低应力的新的封装结构是技术关键。解决 热问题的方法主要有两种：提高器件内的量子效率，提高芯片的发光效率，从根本上减少热量的产生；改 进LED的结构，加快内部热量的散发，以有效降低芯片的温度。在芯片制作与封装方面，我们主要采用以下方法帮助散热：（1）芯片制

12、作采用倒装焊的结构，LED的热量主要产生于很薄的有源层中，而封装完成后的器件，其热量则主要依靠向管座的热传导来散开。蓝宝石衬底的导热系数很小，因此普通正装的芯片结构会使管座与芯片有源层间产生很大的温差，导致管芯温度上升，从而影响器件的各项性能。采用倒装焊芯片结构后，利用S 1热沉作为散热的中间导体，因为是热的良导体，其传热效果要远远好于正面出光的，靠蓝宝石来散热的片子；（2）改进原有的LED封装结构，采取特殊的铝基板作为器件的承载平台，器件的反光与散热都由2 mm厚的铝基板完成，同时将GaN芯片粘附在A 1热沉上，与 小5的LED仅靠碗状模具散热相比，更有利于热量的传输；（ 3）器件在集群使用

13、时，必须采用散热片以及合适的固定方式，必要时还需加散热风扇。（ 4）采用低电阻率、高导热性能的材料粘结芯片；在器件的内部填充柔性硅橡胶，在硅橡胶承受的温度范围内（一般为4 0 C2 0 0 C）,胶体不会因温度骤然变化而导致器件开路。零件材料也应充分考虑其导热、散热特性，以获得良好的整体热特性。4.3 取光技术从理论上讲，当我们在发光LED的 p-n结上施加正向电压时，p-n结会有电流通过，电子和空穴在 p-n 结过渡层中复合会产生光子，但是光子并不能1 0 0 %地逸出到空气中。主要原因如下：（ 1 ）由光的传播理论中的光线折射定律可知，两种不同材料的界面在折射系数不同时，将出现光线被反射的

14、现象，发光LED的芯片与周围介质在折射系数上不同，因此必然导致光线不能全部逸出；（2）发光LED芯片为了施加工作电流和电压，必须固定在引线支架上，同时还需制作便于馈送电流的p 型和 n 型两个电极，而这种能引出导线的电极一般由不透光的金属构成，这就阻挡了一部分光线逸出；（ 3）用作包封材料的环氧树脂，其透光率存在一定的比率，并且在高温下随时间的延长会变黄，透光率衰减严重，导致一部分光线不能逸出；（ 4）环氧树脂的包封形状及其与空气在折射系数上不同，对光线的逸出效率有较大的影响。目前，主要采用以下方法解决取光问题：(1)采用芯片倒装技术(FLIP CHIP),在硅衬底上制作出供共晶焊的金导线层及

15、引出导线层(超声金丝球焊点)；然后，利用共晶焊接设备把芯片与硅衬底焊接在一起。由于倒装后的蓝宝石衬底朝上成为出光面，蓝宝石是透明的，同时两个电极倒装在下面不影响向上发光，因而提高了出光效率；(2)在器件内部填充的柔性硅橡胶透明度高，在硅橡胶承受的温度范围内 (一般为4 0c2 0 0 C)胶体不会出现变黄现象；( 3)采取特殊的铝基板作为器件的承载平台，铝基板的反光增加了出光效果；( 4)采用蒙特卡罗统计模拟方法，对封装结构的出光分布进行模拟，在此基础上修改部分结构形式，有效地提高了光效。5 技术路线实现半导体照明用白光L E D主要技术路线有以下三种：(1)使用红、绿、蓝光三颗LED芯片，集成封装在单个器件之内，通过调整三颗LED的工作电流来产生宽谱白光；(2)采用超高亮度的蓝紫色近紫外LED泵浦产生红、绿、蓝三原色，由这三种基色荧光来混合形成白光；(3)以高亮度L ED产生的蓝光为基础，激发黄色无机荧光粉或黄色有机荧光染料，由激发获得的黄光与原有蓝光混合产生白光。通常认为，采用三基色混光技术的产品性价比最低，目前尚不具备规模化生产的能力。因而采用紫外泵浦光源的方法。泵浦光源的性能(寿命、稳定性等指标)以及相应荧光材料的寿命等问题都有待于进一步解决。目前而言，只有蓝光泵浦光源加黄色荧光转换材料的技术路线最具实现产业化的可