LED照明芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中应用白光照

1、LED照明芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中应用白光照LED照明芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中应用白光照* *LEDLED照明市场一角照明市场一角( (掠影掠影) )* *芯片可靠性对制备技术的要求芯片可靠性对制备技术的要求- -结温结温* *提高白光功率芯片光效的方法提高白光功率芯片光效的方法（专利保护的电极结构，减小电流拥堵（专利保护的电极结构，减小电流拥堵 引入引入PSSPSS图形化衬底，提高光的提取效率图形化衬底，提高光的提取效率 专利保护的背反射镜的优化，提高专利保护的背反射镜的优化，提高 DBR/ODR/DBR/ODR/垂直结构垂直结构* *提高芯粉结合技术，点亮白光市场提高芯

2、粉结合技术，点亮白光市场（激发谱、能量传递机制、配色方案、荧光粉的光衰）（激发谱、能量传递机制、配色方案、荧光粉的光衰）提纲LED照明芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中应用白光照半导体照明的兴起由于半导体照明产业潜藏着巨大的经济和社会效益，由于半导体照明产业潜藏着巨大的经济和社会效益，许多国家和地区纷纷制定了发展计划许多国家和地区纷纷制定了发展计划美国“国家半导体照明研究计划”日本“21世纪光计划”韩国“GaN半导体开发计划”欧盟“彩虹计划”我国“国家半导体照明工程”中国台湾地区“次世代照明光源开发计划” LED照明芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中应用白光照各国及地区半导体照明研发计划表各国

3、及地区半导体照明研发计划表 （单位：（单位：lm/w） 国家/地区 2002年 2005年 2007年 2008年 2010年 2012年 2020年 美国 2070150200日本 150欧盟 中国台湾地区 40韩国 80中国 100150-200欧盟 LED照明芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中应用白光照 2003年以来，大功率LED的应用逐步推开，价格也随之大幅降低。以功率为1W的白光LED来对比，2003年单颗价格为5-6美元，到2007年则降到2-3美元，而光效则由30lm/W提升到2007年的70-80lm/W。但对比2007年到现在的1W白光LED单颗价格，目前仍然维持在2-3美

4、元，不同的是光效提升到了80-90lm/W。 目前有能力大批量供应白光LED功率芯片及LED器件厂商仍局限在Lumileds、Cree、Osram、Nichia以及台湾的晶电等为数不多的厂商，伴随着功率白光LED应用的高速增长及其光效的不断提升，预计其单颗LED价格不会有过大的降幅。LEDLED照明市场一角照明市场一角( (掠影掠影) )LED照明芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中应用白光照全球全球LEDLED市场规模与增长率市场规模与增长率 单位：百万美元单位：百万美元 0200040006000800010000120001400016000200120022003200420052006

5、20072008200920102011-10%-5%0%5%10%15%20%25%30%规模规模增长率增长率手机背光手机背光带动增长带动增长手机背光手机背光增长放缓增长放缓新应用推动新应用推动新一波增长新一波增长n在在20082008年，年，NBNB背光源、汽车照明市场、背光源、汽车照明市场、LEDLED路灯等新应路灯等新应用将持续带动用将持续带动LEDLED产业成长。预期在产业成长。预期在20102010年以后，将由年以后，将由半导体照明应用为半导体照明应用为LEDLED带来另一波成长的契机。带来另一波成长的契机。LED照明芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中应用白光照 全球白炽灯禁用时间

6、全球白炽灯禁用时间表表国家和地区预计禁用时间情况介绍预估替代形式澳大利亚2009年停止生产，最晚在2010年逐步禁止使用传统的白炽灯。澳洲于2007年2月20日宣布一项计划，澳洲在2009年开始停止生产这类耗电灯具。最晚在2010年开始逐步禁止使用传统的白炽灯，将制定相关鼓励政策技术规定。灯泡状荧光灯、省电日光灯（CFL）、LED照明灯具、T5荧光灯管、OLED照明等台湾规划2010年开始执行白炽灯禁产政策，2012年全面禁产。经济部能源局在行政院产业科技策略会议中宣布，将在2009年第一季全面淘汰白炽灯泡，改用LED照明，预计2010年起陆续停产白炽灯，2012年底将全面停止使用白炽灯泡。日

7、本到2012年止，停止制造并销售高能耗白炽灯。政府决定到2012年为止，停止制造并销售高能耗白炽灯泡，东芝照明技术决定，在2010年之前停产普通白炽灯泡，关闭全部生产线。今后将以灯泡状荧光灯和LED照明灯节能产品取代白炽灯。美国2012年1月到2014年1月。大多数白炽灯泡将于2014年在美国市场上禁止销售。2007能源独立和安全法案（Energy Independence and Security ActH.R.6).该法案规定，从2012年到2014年间，美国要逐步淘汰40W、60W、75W及100W白炽灯泡，以节能灯泡取代替换。中国发改委预计10年内禁用（禁售）白炽灯中国的国家发展改革委

8、员会已与联合国开发计划书、全球环境基金合作共同开展“中国逐步淘汰白炽灯、加快推广节能灯专案，支持研究编制中国逐步淘汰白炽灯、加快推广节能灯行动计划。目前，青岛市发改委于日前下发通知，要求各区、市政府、各部门，市直各单位各大宾馆饭店、商场、写字楼、学校、医院、大型工厂企业等大力推广使用节能灯，到2010年以前停用白炽灯。欧盟各国 （英国） 欧洲联盟9月起禁止销售100瓦传统灯泡，2012起禁用所有瓦数的传统灯泡。欧盟零售商2008年开始停卖150瓦灯泡，2009年将停卖60瓦灯泡。如：英国零售卖场2009年一开张，就停止100瓦灯泡补货，自愿停售期到2012年结束，之后政府会颁罚则，改用省电日光

9、灯（CFL）或LED照明灯具。南韩第4次能源利用合理化基本计划决定，将阶段性地提高光能源仅占5%，而热散发量高达95%的白炽灯的最低能耗效率标准，并在2013年底前予以淘汰。LED照明芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中应用白光照近2-3年半导体照明的重点2007年LED照明产值达48亿元，2010年预计98亿元。2009年LED照明渗透率可望有1.5%，比2008年倍增，总产值预计可达13亿美元。路灯路灯 2008年中国路灯市场规模大约1,500万盏左右，其中LED路灯的装置数量大约在50万盏。2009年中国LED路灯市场的装置数量预计将高达250万盏左右。 广东省2年内在10个城市实现“千里

10、十万工程” 瓦房店市7万盏LED路灯，年节约电费500多万元 潍坊潍坊 2万盏LED路灯 天津工业大学实现5000盏LED路灯室内照明室内照明来源LEDinsideLED照明芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中应用白光照LED路灯照明LED照明芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中应用白光照公司主走廊采用公司主走廊采用LEDLED照明照明 来源来源: :中国半导体照明网译中国半导体照明网译 3个个LED组成的组成的的功率的功率即相当即相当于于50 W卤素灯卤素灯水平。水平。寿命为寿命为5万小时万小时LED照明芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中应用白光照来源来源: :中国半导体照明网译中国半导体照明网

11、译 LEDLED情调灯情调灯2颗红颗红色、色、1颗蓝色颗蓝色及及1颗颗绿色绿色LED所组成，所组成，可变化可变化出出1,677种不同种不同顏色。顏色。LED照明芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中应用白光照芯片可靠性对制备技术的要求芯片可靠性对制备技术的要求*结温的测试结温的测试采用动态电学参数法结温的测试采用动态电学参数法, , 即利用小电流下即利用小电流下LEDLED的正向压降与温度成线性关系的正向压降与温度成线性关系: :V Vf f=nKT/q=nKT/q* *ln(Iln(If f/I/Io o) + R) + Rs s* *I If f 式中式中: : V Vf f为正向电压，为正向

12、电压，I If f为正向电流为正向电流; ; I Io o为反向饱和电流，为反向饱和电流，q q为电子电荷为电子电荷; ; K K是玻尔兹曼常数，是玻尔兹曼常数，R Rs s是是LEDLED内阻内阻; ; n n是表征是表征P/NP/N结完美性的一个参量结完美性的一个参量, , 在在1-21-2之之间间; ;由由T Tj j=R=Rj j* *k k* *I I* *V+TV+T环境环境 可以得到结温可以得到结温式中式中: T: Tj j 为结温为结温, R, Rj j为热阻为热阻, K, K为光电转换效率为光电转换效率, I, V , I, V 为电流和电压为电流和电压LED照明芯粉结合方案

13、芯粉结合在LED照明中应用白光照 室温下的结温和电流的关系芯片可靠性对制备技术的要求芯片可靠性对制备技术的要求LED照明芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中应用白光照*激活能的计算p实验条件：实验条件：电流：电流： 30mA30mA温度：温度： 室温，室温， 5555，8080芯片大小：芯片大小： 12mil12mil* *12mil12mil1.1.芯片波长：芯片波长： 460nm460nm芯片可靠性对制备技术的要求芯片可靠性对制备技术的要求LED照明芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中应用白光照由加速老化的阿雷尼乌斯模型：由加速老化的阿雷尼乌斯模型：AF=(IFac/IFop)AF=(IFac

14、/IFop)2 2* *exp(Ea/kb exp(Ea/kb * *(1/Tjop-1/Tjac)(1/Tjop-1/Tjac)） ( (* *) )其中其中AFAF为加速因子，为加速因子，IFac, IFopIFac, IFop为加速和正常工作时的电为加速和正常工作时的电流，流， EaEa为活化能，为活化能， kb kb 为玻尔兹曼常数，为玻尔兹曼常数， Tjop Tjac Tjop Tjac 为为正常工作和加速时的结温。正常工作和加速时的结温。( (* *) )可以变化为：可以变化为：ln(AF)=Ea/kbln(AF)=Ea/kb* * (1/Tjop-1/Tjac)+2ln(IFac

15、/IFop) (1/Tjop-1/Tjac)+2ln(IFac/IFop)将相应数据代入可以得到：将相应数据代入可以得到： *激活能的计算芯片可靠性对制备技术的要求芯片可靠性对制备技术的要求LED照明芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中应用白光照* *专利保护的树枝电极结构专利保护的树枝电极结构- -减小电流拥堵减小电流拥堵- -使得注入电流扩展均匀使得注入电流扩展均匀- -正负极的树枝交错排列，电流密度分布均匀正负极的树枝交错排列，电流密度分布均匀- -正向电压有效降低，提高了出光效率正向电压有效降低，提高了出光效率提高白光功率芯片光效的方法提高白光功率芯片光效的方法LED照明芯粉结合方案芯粉

16、结合在LED照明中应用白光照*专利保护的树枝电极结构专利保护的树枝电极结构提高白光功率芯片光效的方法提高白光功率芯片光效的方法大功率芯片图形大功率芯片图形LED照明芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中应用白光照 提高白光功率芯片光效的方法提高白光功率芯片光效的方法从图中可以看出，其树枝部分是呈现出粗细变化的，宽大部分为开始的大电流提供了更多的面积来扩散电流，避免造成电流拥堵。当电流流向树枝状窄端时，电流不断的由侧枝扩散出去，所以传输下去的电流越来越少，因此我们的树枝状电极相应的也做的越来越窄。因为电极引线采用锥形工艺，导线的电阻增加电流减小。因此与点状电极相比，沿着电极方向，各处由电极流入导电层

17、的电流更均匀。这再一次促进了沿着p型和n型电极引线方向各处电流的均匀扩散。另外在电极的整体设计上，理论上已经证明了正负极距离较短的设计有利于电流能够更加均匀的扩展，而我们的大功率芯片图形结构中正负极的树枝交错排列，这使得正负极距离得到有效的减小，也就使得电流能够得以更加均匀的分布。再加上其电极呈树枝状分布，正向电压可达以下。这项成果在我们已获得的美国专利高功率高亮度发光二极管及其制法（授权号：USP6，650，018）中有详细叙述。LED照明芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中应用白光照 提高白光芯片光效的方法提高白光芯片光效的方法* *专利保护的背反射镜的优化，提高光效专利保护的背反射镜的优化

18、，提高光效-背镀反射镜，提高出光效率60%-100%LED照明芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中应用白光照 通过制作布拉格反射镜提高出光效率，即在芯片的背面或者窗口处蒸镀反射金属，使有源层向上下两个方向发出的光都能够得到利用，提高出光效率50%-100% 氮化镓基发光二极管包括透明衬底和用于透射LED产生光的窗口。理论上来讲，在有源层发出的光等几率地分别从窗口和蓝宝石衬底方向出射，如果利用的是通过窗口发出的光，那么从有源层发射向透明衬底的光大部分会损失；同样地，如果利用的是通过衬底发出的光，那么从有源层发射向窗口的光大部分会损失。所以我们需要一个分布布拉格反射镜，如果利用由窗口发出的光，反射镜

19、直接形成于衬底背面；而如果利用透过衬底的光，反射镜直接形成于窗口的发光部分。即分布布拉格反射镜可以形成于衬底背面或窗口表面，光提取率可增加50-100%。我们所说的分布布拉格反射镜也可以采用反射率比较好的银或铝等金属，示意图见图7。另外，这些反射层也可以使用那些可以提供更多散热优点的材料，以提高其散热的能力。这项技术在我们已获得的美国专利透明衬底发光二极管（授权号：USP6，643，304）中有详细叙述。 如图7所示，其中包括：蓝宝石衬底101；缓冲区102；GaN替代的衬底层103；N型GaN层104；活性区106；P型GaN层107；窗口层108和109；N电极105；P接触层110和11

20、1；分布布拉格反射镜112和212。 LED照明芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中应用白光照 提高白光芯片光效的方法提高白光芯片光效的方法109108107106104103102101112109110111105109108107106104103102101212109110111105专利保护的背反射镜的示意图专利保护的背反射镜的示意图LED照明芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中应用白光照 提高白光芯片光效的方法提高白光芯片光效的方法分布布拉格反射镜技术示意图（美国授权号：分布布拉格反射镜技术示意图（美国授权号：USP6USP6，643643，304304）如图如图9 9所示，其中包括

21、：蓝宝石衬底所示，其中包括：蓝宝石衬底101101；缓冲区；缓冲区102102；GaNGaN替代的衬底层替代的衬底层103103；N N型型GaNGaN层层104104；活性区；活性区106106；P P型型GaNGaN层层107107；窗口层；窗口层108108和和109109；N N电极电极105105；P P接触层接触层110110和和111111；分布布拉格反射镜；分布布拉格反射镜112112和和212212。LED照明芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中应用白光照提高芯粉结合技术提高芯粉结合技术点亮白光市场点亮白光市场* *激发光谱激发光谱用于白用于白光光LEDLED的发光材料主要有四

22、大类，的发光材料主要有四大类，而而YAGYAG发光材料以其转化效率高成为发光材料以其转化效率高成为制作白光制作白光LEDLED最成熟的主流技术路线。最成熟的主流技术路线。 石榴石结构的稀土掺杂的复合氧化物石榴石结构的稀土掺杂的复合氧化物发光材料，如发光材料，如YAGYAG和和TAGTAG； 硅酸盐基质发光材料：硅酸盐基质发光材料： 硅氧氮化合物发光材料；硅氧氮化合物发光材料； 硫化物或硫代氧酸盐发光材料；硫化物或硫代氧酸盐发光材料； LED照明芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中应用白光照 （部分）激发荧光体使其发出黄光黄光LEDLED发出蓝光 （透镜）复合成白光 （部分）剩余蓝光蓝光1-PC-

23、LED(B+Y)LED照明芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中应用白光照蓝光（蓝光（460460）芯片）芯片YAG:CeYAG:Ce荧光体（荧光体（560560，黄光）光谱，黄光）光谱LED照明芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中应用白光照 YAG:CeYAG:Ce材料改进材料改进YAG:Ce层厚改变的发射光谱变化（蓝光芯片）LED照明芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中应用白光照固体发光过程固体发光过程激激 发发吸吸 收收 发发 光光能能量量转转换换能能量量输输运运能能量量传传递递LED照明芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中应用白光照*能量传递机制激发激发能量转移能量转移发射发射敏化剂敏化剂激活剂激活剂能量传递过程示意图能量传递过程示意图LED照明芯粉结合方案芯粉结合在LED照明中应用白光照能量传递机制-能量传递，是激发态两个中心之间的能量转移过程。能量传递，是激发态两个中心之间的能量转移过程。-灯用发光材料的能量传递过程大体有两种，共振能量灯用发光材料的能量传递过程大体有两种，共振能量 传递和辐射再吸收过程。传递和辐射再吸收过程。-辐射再吸收过程是光子发射后再被吸收。辐射再吸收过程是光子发射后再被吸收。-激发能量从一个激发中心（能量的给与体）传递给另激发能量从一个激发中心（能量的给与体）传递给另一个临近的未被激发的中心（能量接受体），主要通过一个临近