畢業(yè)論文---白光led的發(fā)光機理及制造難點研究

1、<p><b>　　XX 學(xué) 院</b></p><p>　　本科畢業(yè)設(shè)計（論文）</p><p>　　題 目 白光LED的發(fā)光機理及制造難點研究 </p><p>　　電子信息工程 院（系） 電子信息工程 專業(yè) </p><p>　　學(xué) 號

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　起訖日期 2010.02-2010.06

3、 </p><p>　　設(shè)計地點 電子信息工程學(xué)院 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　目 錄1</b></p><p><b>　　摘 要2</b></p&g

4、t;<p>　　Abstract3</p><p>　　第一章 簡述白光LED發(fā)展史4</p><p>　　第二章 白光LED的發(fā)光機理5</p><p>　　2.1白光LED的技術(shù)概況5</p><p>　　2.2 LED發(fā)光原理5</p><p>　　2.2.1 LED發(fā)光機理5</

5、p><p>　　2.2.2白光LED發(fā)光原理6</p><p>　　2.3白光LED的發(fā)光效率8</p><p><b>　　2.4襯底材料9</b></p><p>　　2.4.1 LED的襯底材料的選擇9</p><p><b>　　2.5工藝11</b></

6、p><p>　　2.6大功率白光LED散熱技術(shù)11</p><p>　　2.7白光LED技術(shù)研究12</p><p>　　第三章 白光LED綜述12</p><p>　　3.1白光LED的特點12</p><p>　　3.2白光LED的優(yōu)點13</p><p>　　3.3白光LED的展望

7、13</p><p><b>　　總 結(jié)15</b></p><p><b>　　致 謝16</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)17</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　所謂

8、白光是多種顏色是多種顏色混合而成的光，以人類眼睛所能見的白光形式至少需要兩種光混合，如二波長光（藍(lán)色光+黃色光）或三波長光（藍(lán)色光+綠色光+紅色光），目前已商品化的產(chǎn)品僅有二波長藍(lán)光單芯片加上YAG黃色熒光粉，在未來較被看好的是三波長光，以無機紫外光芯片加R、G、B三顏色熒光粉。用上述兩種模式符合的白光都需要藍(lán)光，所以攝取藍(lán)光已成為制造白光LED的關(guān)鍵技術(shù)，即當(dāng)前各大LED制造公司追逐的“藍(lán)光技術(shù)”。此外有機單層三波長型白光LED也有成

9、本低、制造容易的優(yōu)點。預(yù)計三波長白光在未來的應(yīng)用中取代熒光燈、緊湊型節(jié)能熒光燈及LCD背光源等市場，對白光LED的市場成長有很大幫助。</p><p>　　本文對白光LED的發(fā)光原理進(jìn)行了研究，包括對發(fā)光效率，材料，工藝，封裝，成本等。對于白光LED的優(yōu)點進(jìn)行論述，包括如發(fā)光效率，使用壽命，顯色性，體積，使用方便，可靠性等。</p><p>　　最后，對白光LED的發(fā)展前景和未來的發(fā)展做了

10、描述。</p><p>　　關(guān)鍵字：白光LED 材料 封裝</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The so-called multi-color white is a mixture of light colors to the human eye can see at least two kinds o

11、f white light mixed forms, such as the two wavelengths of light (blue light + yellow light) or three wavelength light (blue light + green light + red light), the commercialization of products currently only two single-wa

12、velength blue-chip with the yellow YAG phosphor, more favored in the future is three wavelengths of light, in order to increase inorganic UV chips R, G, B three color phospho</p><p>　　Key words ：white LED m

13、aterials package</p><p>　　第一章 簡述白光LED發(fā)展史</p><p>　　1998年白光LED的開發(fā)成功，使得LED應(yīng)用從單純的標(biāo)識顯示功能向照明功能邁出了實質(zhì)性的一步。LED光源與傳統(tǒng)光源相比較，具有如下優(yōu)點:超長壽命，可達(dá)幾萬小時，傳統(tǒng)光源一般為幾千小時;結(jié)構(gòu)堅固，沒有鎢絲、玻殼等容易損壞的部件，具有極高的抗震性能;響應(yīng)速度快;易實現(xiàn)調(diào)光和智能控制;耐開

14、關(guān)沖擊，適用于頻繁開關(guān)場合;高效節(jié)能，現(xiàn)有光效己超過白熾燈，理論光效可達(dá)200lm/ W;不含汞、鉛等有害物質(zhì)，沒有污染，綠色環(huán)保。與白熾燈相比，LED在效率、節(jié)能、燈具設(shè)計等方面都有足夠的優(yōu)勢。就結(jié)構(gòu)特性而言，由于LED體積小，可以為一般照明系統(tǒng)提供更大的設(shè)計自由度。從光度和色度性能考慮，目前單顆LED的光通量仍有限，但是一般照明場合，可能要求不同色溫的白光，且對顯色性要求也不甚相同。LED在不同發(fā)展階段的性能，在目前階段，應(yīng)充分發(fā)揮

15、半導(dǎo)體照明的優(yōu)勢，根據(jù)選擇合適的應(yīng)用領(lǐng)域，針對LED的特殊結(jié)構(gòu)和光型，通過合理的光學(xué)設(shè)計，可使目前價格的半導(dǎo)體照明也能有用武之地。開發(fā)相應(yīng)合理的光源系統(tǒng)。滿足不同場的照明需求，</p><p>　　美國能源部曾預(yù)測，2010年前后，美國將有55%的白熾燈和熒光燈被LED替代，每年節(jié)電價值可達(dá)350億美元，可能形成一個500-1000億美元的大產(chǎn)業(yè)。2007年歐盟春季首腦會議已經(jīng)達(dá)成協(xié)議，兩年內(nèi)(2009年以前)歐

16、洲各國將逐步用節(jié)能熒光燈取代能耗高的老式白熾燈泡，從2009年規(guī)定日期開始，禁止生產(chǎn)白熾燈泡，以減少溫室氣體排放。</p><p>　　我國政府對發(fā)展白光LED高度重視?！熬盼濉焙汀笆濉本腥肟萍疾俊?63”，“973”計劃，投入大量經(jīng)費資助。其中由北京大學(xué)、中科院物理所和北京有色院聯(lián)合承擔(dān)“十五”白光LED“863”項目。2003年6月17日，國家科技部正式啟動了“國家半導(dǎo)體照明工程”計劃，將半導(dǎo)體照明技術(shù)的

17、發(fā)展和應(yīng)用提高到戰(zhàn)略高度。我國白光LED發(fā)展主要受到藍(lán)光芯片設(shè)計制造能力的制約。在技術(shù)研發(fā)水平上，國內(nèi)的藍(lán)光芯片指標(biāo)已達(dá)到國外中檔產(chǎn)品水平，個別研發(fā)機構(gòu)的技術(shù)水平己達(dá)世界先進(jìn)水平。LED封裝技術(shù)與國外差距較小，在國際市場上已占有相當(dāng)大的份額，有可能取得關(guān)鍵技術(shù)的突破，形成自主知識產(chǎn)權(quán)。另外，位于產(chǎn)業(yè)鏈下游的芯片封裝與照明應(yīng)用產(chǎn)業(yè)，既是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，又是勞動密集型產(chǎn)業(yè)，我國具有廉價勞動力的優(yōu)勢，有能力承接國際半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)移。所用關(guān)鍵

18、材料、高效熒光粉有很好基礎(chǔ)和條件。據(jù)此，不少業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，中國有可能成為世界上最大的LED生產(chǎn)基地之一。我國臺灣InGaN藍(lán)光芯片開發(fā)廠商很多己崛起成為世界藍(lán)光芯片主要供應(yīng)商，占世界總產(chǎn)量的四分之一;無論質(zhì)和量都在大陸之上，但質(zhì)量遜于日美。我國一些LED產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)較好的省份，也針對</p><p>　　LED與熒光燈相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、平面化、重量輕、方向性好、響應(yīng)快、無輻射、耐各種惡劣條件等優(yōu)點，并能消除

19、熒光燈中的汞等有害物體所造成的環(huán)境污染問題。但是，在一般照明領(lǐng)域，LED與熒光燈相比，無論從成本還是效率方面，還有待提高，相關(guān)產(chǎn)品還有一個成熟過程。</p><p>　　考慮到尺寸、復(fù)雜度以及成本上的優(yōu)勢，近來白光LED成為小型便攜終端的理想光源。白光LED只需相當(dāng)?shù)偷闹绷麟妷?3V至4V)，而CCFL則需要極高的交流電壓，要占用較大的線路板面積。此外，符合RoHS要求，具有更低工作電壓，在設(shè)計和安全方面提供另一

20、優(yōu)勢，LED背光系統(tǒng)還提高碰撞和振動的耐用性。而且LED背光響應(yīng)速度快、色彩飽和度(NTSC)高達(dá)130%及動態(tài)影像顯示效果佳，被認(rèn)為是未來大尺寸LCD面板中取代CCFL傳統(tǒng)背光源、最具增長潛力的背光源，已吸引全球主要LED與面板廠商積極開展LED背光源的應(yīng)用研究。其良好的色彩表現(xiàn)特性，還可應(yīng)用于面向印刷業(yè)務(wù)的顯示器和內(nèi)窺鏡監(jiān)視器等醫(yī)療用途。</p><p>　　LED芯片的表面面積小，工作時電流密度大，照明往往

21、要求多個LED組合而成，LED密集度大，發(fā)熱密度高。結(jié)溫上升導(dǎo)致光輸出減少，芯片加快蛻化，縮短器件壽命。發(fā)光二極管隨結(jié)溫的上升向長波方向漂移(橙紅色和琥珀色的LED色漂移的視覺效應(yīng)更顯著)。如果要考慮到實際應(yīng)用中對色漂移的不良影響，熱設(shè)計也要對最高結(jié)溫進(jìn)行限制。由于LED芯片輸入功率的不斷提高，對這些功率型LED的封裝技術(shù)提出了更高的要求，散熱問題因為牽扯到光、電、色等一系列的問題，成了必須考慮的突出問題。</p><

22、;p>　　第二章 白光LED的發(fā)光機理</p><p>　　2.1白光LED的技術(shù)概況</p><p>　　LED是Light Emitting Diode的縮寫，中文譯為“發(fā)光二極管”。顧名思義，這是一種會發(fā)光的半導(dǎo)體器件，且具有二極管的電子特性。LED屬于半導(dǎo)體光電器件，除了具有發(fā)光特性之外，它完全具備半導(dǎo)體整流二極管的特性。</p><p>　　自從出現(xiàn)

23、發(fā)光二極管LED 以來，人們一直在努力追求實現(xiàn)固體光源，隨著LED制造工藝的不斷進(jìn)步和新型材料（氮化物晶體和熒光粉）的開發(fā)及應(yīng)用，使發(fā)白色光的LED固體光源性能不斷完善并進(jìn)入實用階段。白光LED的出現(xiàn)，使LED應(yīng)用領(lǐng)域跨足至高效率照明光源市場。</p><p>　　2.2 LED發(fā)光原理</p><p>　　2.2.1 LED發(fā)光機理</p><p>　　LED又稱

24、為發(fā)光二極管，由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，他的原理主要是應(yīng)用二極管體內(nèi)電子與空穴的復(fù)合過程中產(chǎn)生的能量，轉(zhuǎn)化為光能輸出，當(dāng)PN結(jié)加正向電壓時，N區(qū)電子在電場作用下向P區(qū)移動，而P區(qū)的空穴則向N區(qū)移動。(如圖1.1)P區(qū)的電子和N區(qū)的空穴（又稱為少子）分別與P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子復(fù)合（又稱為多子），這時候兩者結(jié)合就會釋放出多余能量。P區(qū)和N區(qū)都會復(fù)合發(fā)光，我們現(xiàn)在先假設(shè)結(jié)

25、合地點為P區(qū)，電子注入P區(qū)稱為少子，可能直接與導(dǎo)帶中的空穴復(fù)合，也可能被發(fā)光中心捕獲，而后再與空穴復(fù)合，后面這種情況會使得每次結(jié)合釋放的能量不大不能發(fā)出可見光。</p><p>　　圖1.1 LED的PN結(jié)結(jié)構(gòu)</p><p>　　因而，發(fā)光效率直接取決于，這兩種發(fā)光狀態(tài)發(fā)光復(fù)合量的比例。發(fā)光的復(fù)合量相對于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。并且我們從圖可以直觀的知道，發(fā)光釋放的光子的

26、能量與（禁帶寬度）成正比，而光子的能量又與波長成反比，得到關(guān)系式</p><p>　　ν= （1-1）</p><p>　　λ=（1-2）</p><p>　　將C，h，e分別代入可以得到如下關(guān)系式：</p><p>　　λ≈1240/Eg（mm）。

27、</p><p>　　又因為可見光的波長范圍是在380nm紫光～780nm紅光所以帶入公式可得到，Eg在3.26 eV～1.63 eV之間。</p><p>　　因此，波長越短的紫光，所要求的禁帶寬度也就越寬，這也就是為什么波長相對較短的釋放藍(lán)光的LED材料在過去難以實現(xiàn)的原因。</p><p>　　2.2.2白光LED發(fā)光原理</p><p&g

28、t;　　我們知道，能發(fā)出白色光線的LED并不存在，原因在于白色并不是單一的頻率。哪么白色的LED是如何實現(xiàn)呢？</p><p>　　(l)紅、綠、藍(lán)三基色芯片LED或三基色LED燈混合實現(xiàn)白光。圖 1.2是1931年國際照明委員會發(fā)布的色度圖，馬蹄形邊緣，表示單色光;在中心為普朗克軌跡，該曲線循著黑體溫度從1000K到10000K以上連續(xù)變化(肉眼感受到白光);計色三角頂點，分別標(biāo)志單色460，540和610nm

29、，是三基色固體照明光源所關(guān)注的重點波長，三角內(nèi)部色域可由三基色得到。</p><p>　　圖1.2 CIE（x,y）色度圖。其中E代表純白色，X帶表W-LED的顏色。</p><p>　　三芯片型發(fā)光材料主要有GaAsp、ALGaA等發(fā)紅光;ALGalnP/GaAs、ALGalnP/GaP等發(fā)紅光和橙光;GaP發(fā)綠光;InGaN發(fā)藍(lán)光。而紅、綠、藍(lán)三個LED封裝一起，光效可達(dá)20Lln/W

30、，發(fā)光效率較高，顯色性好。三基色LED混合，通過三基色光的分別調(diào)整可控制色彩。但三芯片型比三基色混合型成本較高，并且存在紅、綠、藍(lán)芯片光衰不同產(chǎn)生變色現(xiàn)象等缺陷。</p><p>　　(2)用GaN基藍(lán)色LED芯片發(fā)出的藍(lán)光激發(fā)熒光粉發(fā)光，使藍(lán)光與黃光混合發(fā)出白光。白光LED的發(fā)射波長(實線)包括藍(lán)光和黃光區(qū)域的峰值，但是在肉眼看來就是白色，如圖所示(肉眼的相對光敏感性曲線-虛線)。白光LED 的發(fā)射波長(實線)

31、包括藍(lán)光和黃光區(qū)域的峰值，但是在肉眼看來就是白色。白光LED原理圖如圖1.3所示。</p><p><b>　　圖1.3白光LED</b></p><p>　　InGaN藍(lán)光芯片激發(fā)YAG熒光粉得到的白光，光效可15lm/W。這種方法發(fā)光效率高，制備簡單，溫度穩(wěn)定性高，顯色性也好。但色彩會隨角度而變，光一致性較差。由于技術(shù)的發(fā)展與成本的影響，目前采用這種方法的白光LE

32、D發(fā)展最迅速，技術(shù)最成熟，商品化程度最高。</p><p>　　(3)紫外光或紫光LED激發(fā)三基色熒光粉，發(fā)出白光。顯然也可選用兩基色、四基色、五基色熒光粉，同樣實現(xiàn)白光LED。這種方法決定于熒光粉，易實現(xiàn)較高的顯色性，白光制備方法也簡便易行。但是目前存在發(fā)光效率低，溫度穩(wěn)定性差，紫光容易遺漏等缺陷。</p><p>　　圖1.4 三種白光及其光譜組成</p><p&g

33、t;　　2.3白光LED的發(fā)光效率 </p><p>　　從理論和技術(shù)發(fā)展角度分析，白光LED的光效可以達(dá)到200m/W以上，2010年將進(jìn)入家庭照明領(lǐng)域。為達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，白光LED有兩個問題必須解決，即提高光效和光通量。目前人們正對藍(lán)光、紫外光LED的芯片、封裝工藝（包括熒光粉涂敷工藝）及熒光粉進(jìn)行改造。對于芯片來說，發(fā)展大尺寸芯片，制造大功率芯片，采用芯片導(dǎo)致新技術(shù)使外量子效率提高，并積極研制波長更短的紫外光

34、LED。最近，美國南加州大學(xué)采用四元ALInGaN多層量子阱技術(shù)研制出了峰值波長為305~340nm的紫外光LED，這是目前波長最短的紫外光LED。對于這種20um×1000um的條狀器件而言，峰值波長為340nm的輸出功率高達(dá)1mW。</p><p>　　在白光LED設(shè)計中在發(fā)射藍(lán)光的InGaN基板上覆蓋轉(zhuǎn)換材料，這種材料在收到藍(lán)光激勵時會發(fā)出黃光，于是得到了藍(lán)光和黃光的混合物，在肉眼看來就是白色的。

35、白光LED的發(fā)射波長（如圖2.3.1）包括藍(lán)光和黃光區(qū)域的峰值，但是在肉眼看來就是白色的。</p><p>　　圖2.3.1 白光LED 的發(fā)射波長及肉眼的相對光感性</p><p>　　因為白光是不同波長單色光的混合，所以，白光LED不可能有一個特定波長，因此，人們用色坐標(biāo)定義白光LED。白光LED數(shù)據(jù)手冊中通常給出了色坐標(biāo)隨正向電流增大而變化的關(guān)系曲線，如2.3.1</p>

36、;<p>　　正向電流的變化改變了白光LED的色坐標(biāo)，并因此改變了白光質(zhì)量。采用InGaN技術(shù)的LED并不像標(biāo)準(zhǔn)綠光、紅光和黃光LED那樣容易控制。InGaN LED的顯示波長（色彩）會隨著正向電流改變。例如，白光LED所呈現(xiàn)的色彩變化產(chǎn)生于轉(zhuǎn)換材料的不同濃度，以及藍(lán)光InGaN材料隨著正向電壓的變化而產(chǎn)生波長變化。在圖2.3.2中，通過增大正向電流改變其發(fā)射波長，從而改變藍(lán)光LED的色彩。</p><

37、p><b>　　圖2.3.2</b></p><p><b>　　2.4襯底材料</b></p><p>　　2.4.1 LED的襯底材料的選擇</p><p>　　半導(dǎo)體器件的襯底材料也稱為基片材料。外延層都是在襯底材料上生長獲得的。LED的襯底材料是LED器件發(fā)展的基石，不同的襯底材料決定了不同的生長技術(shù)，芯片加

38、工技術(shù)和器件封裝技術(shù)，因此它決定了LED器件的發(fā)展路線。</p><p>　　關(guān)于LED襯底材料的選擇，通常有以下要求。</p><p>　　結(jié)構(gòu)特型好，外延材料與襯底的晶格結(jié)構(gòu)相同或相近，晶格常數(shù)失配度小，結(jié)晶性能好；</p><p>　　界面特型好，有利于外延材料的生長，并且黏附性強；</p><p>　　化學(xué)穩(wěn)定性好，在外延生長的溫度和

39、氣氛中不容易分解和被腐蝕；</p><p>　　熱學(xué)性能好，包括導(dǎo)熱性好和熱失配度?。?lt;/p><p>　　有良好的導(dǎo)電性，能制成上下層結(jié)構(gòu)；</p><p>　　光學(xué)性能好，對光的吸收少，有利于提高器件的發(fā)光效率；</p><p>　　機械性能好，器件容易加工；</p><p>　　尺寸大，通常要求直徑不小于2in(

40、1in=0.0254m);</p><p><b>　　價格低廉；</b></p><p>　　襯底材料的選擇同時滿足上述9個方面的要求是很困難的，所以，人們目前只能通過外延生長技術(shù)的變更和器件加工工藝的調(diào)整來適應(yīng)不同襯底上的半導(dǎo)體發(fā)光器件的研究與生產(chǎn)。</p><p>　　2.4.2LED襯底材料的種類</p><p>

41、;　　藍(lán)寶石（Al2O3）</p><p>　　藍(lán)寶石是目前用于生長GaN和InGaN的主要襯底材料，其優(yōu)點是化學(xué)穩(wěn)定性好，不吸收可見光，透光性好，制備技術(shù)比較成熟，價格適中。但其不足是晶格失配性高，導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性欠佳，硬度高而不易加工。但是，這些不足目前均得到克服，如采用過渡層生長技術(shù)來克服晶格失配，通過同側(cè)P、N電極可克服導(dǎo)電性能差，通過激光劃片解決了不易切割的問題。國外對該襯底的主攻方向是生長4~6in乃至

42、更大直徑的單晶，進(jìn)一步降低雜質(zhì)污染，提高表面拋光質(zhì)量。</p><p><b>　　碳化硅（SiC）</b></p><p>　　該襯底材料有許多突出的優(yōu)點，如化學(xué)穩(wěn)定性好，有優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，不吸收可見光等，因此成為目前用于GaN、InGaN生長的僅次于藍(lán)寶石的襯底材料，它在市場的占有率位居第二。但其不足主要在價格較高，機械加工性能較差、晶體質(zhì)量難以與藍(lán)寶石和硅

43、媲美。此外，碳化硅材料吸收380nm以下的紫外光，不適合用于制造紫外LED。</p><p>　　由于SiC襯底具有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，不需要像采用藍(lán)寶石襯底的GaN LED器件那樣采用倒裝焊技術(shù)來解決散熱問題，而是采用上、下電極結(jié)構(gòu)，從而能較好地解決功率型GaN LED器件的散熱問題。目前世界上能提供高質(zhì)量SiC襯底材料的廠家只有美國Cree等少數(shù)幾家公司，今后SiC襯底的研發(fā)主要任務(wù)是大幅度降低制造成本和提

44、高晶體晶格質(zhì)量。</p><p><b>　　硅（Si）</b></p><p>　　硅襯底材料的優(yōu)點是晶體質(zhì)量高，尺寸大，成本低，易加工，有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性。在硅材料上制備GaN LED是人們夢寐以求的，一旦在技術(shù)上取得突破，外延生長和LED器件加工成本將會降低。令人遺憾的是，由于GaN外延層與Si襯底之間存在巨大的晶格失配和熱失配，在GaN生長過程中

45、容易形成非晶氮化硅，在Si襯底上很難得到無龜裂和實用的GaN材料。此外，由于Si襯底對光的吸收嚴(yán)重，LED的發(fā)光效率很低。</p><p>　　目前Si襯底技術(shù)仍在研發(fā)階段，尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。目前，國際較為領(lǐng)先的技術(shù)在Si襯底上外延的藍(lán)光LED為幾毫瓦。</p><p>　　（4）氮化鎵（GaN）</p><p>　　GaN單晶材料是用于生長GaN外延層的最理想的襯底

46、。用GaN作襯底生長GaN外延層，可以大大提高外延膜晶體質(zhì)量，降低位錯密度，提高LED發(fā)光效率、電流密度和壽命，但這種單晶材料制備非常困難，且價格高，使其實現(xiàn)商品化收到限制。日本和美國的幾家公司 采用氫化物氣相外延（HVPE）方法，在Al2O3、SiC等襯底上先生長GaN厚膜，再通過剝離技術(shù)實現(xiàn)襯底和GaN厚膜的分離，分離后的GaN厚膜作為外延GaN的襯底。一片2英寸的GaN價格接近1萬美元。</p><p>　

47、　目前，國內(nèi)研究GaN襯底是用MOCVD和HVPE兩種設(shè)備分別進(jìn)行。先用MOCVD生長0.1~1um的結(jié)晶層，再用HVPE生長約300um的GaN襯底層，最后將原襯底剝離、拋光。這種方法由于襯底分兩次生長，表面污染較嚴(yán)重，由于生長過程需降溫停頓，造成表面再構(gòu)，影響第二次生長。</p><p>　?。?）砷化鎵（Ga As）</p><p>　　該材料是目前LED中使用較為廣泛的，它可以用來

48、Ga As、GaP、AlGaAs和發(fā)光材料的外延層AlInGaP等發(fā)光材料外延層。Ga As的優(yōu)點是晶格常數(shù)比較匹配，可以制成五位錯單晶，加工方便，價格比較便宜；缺點是其為吸光材料，影響LED的發(fā)光效率。</p><p>　?。?）氧化鋅（ZnO）</p><p>　　ZnO與GaN的晶格結(jié)構(gòu)相同，禁帶寬度非常接近，所以ZnO是GaN外延的候選襯底。但是，ZnO的致命弱點是在GaN外延生長

49、的溫度和氣氛中容易發(fā)生分解和被腐蝕，所以目前尚不能用來制造光電子器件。</p><p>　　在上述LED芯片外延襯底材料中，雖然用于GaN生長的襯底材料較多，但目前已經(jīng)實現(xiàn)商品化的僅限于Al2O3 和SiC兩種，其他幾種襯底材料有待于繼續(xù)研發(fā)。</p><p><b>　　2.5工藝</b></p><p>　　在1995年前，白光LED工藝技

50、術(shù)定位于信號裝置中的應(yīng)用，其主要參數(shù)為亮度。1995年以后，不但雖光效，還對光通量給予了更大的關(guān)注。因此，有必要對白光LED的這些參數(shù)與傳統(tǒng)光源的類似參數(shù)進(jìn)行比較。首先，白光LED發(fā)出的光與傳統(tǒng)光源不同的是有很強的方向性。與傳統(tǒng)照明系統(tǒng)效率有關(guān)的有效光通量為燈光通量的50%~70%。其次，白光LED的多數(shù)參數(shù)與直徑φ有關(guān)。通常白光LED在晶體內(nèi)的尺寸約為0.1nm，并按20mA計算。</p><p>　　光效為1

51、5lm/W的φ5mm白光LED的光通量約為1lm，對于這樣的電流和光通量不需要太嚴(yán)格的散熱條件。對于照明來說，通常需要幾百到幾千只φ5mm的白光LED來代替正常光源。因此，白光LED燈具應(yīng)是一個集合的裝置，它包含有大量的單體白光LED應(yīng)具有適當(dāng)?shù)碾姎狻⒔^熱和機械特性，達(dá)到二級產(chǎn)品水平。當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)的φ5mm白光LED時，二級水平產(chǎn)品的尺寸變得極大。因此，為使照明中采用白光LED，所需的工藝技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)φ5mm輻射器有本質(zhì)區(qū)別。</p&

52、gt;<p>　　為使二級水平產(chǎn)品的尺寸和價格保持在可接受范圍內(nèi)，照明中LED的數(shù)量必須減少，而單只白光LED發(fā)出的光應(yīng)增加10~100倍。為了實現(xiàn)此目標(biāo)，需要增大晶體的尺寸和輸出電流值。從本質(zhì)上看，白光LED與傳統(tǒng)光源的基本區(qū)別是，白光LED（二級水平）具有通用燈具中光源與光學(xué)器件組合后的光通量和光強分布曲線。</p><p>　　白光LED發(fā)出的是單色光，在用白光LED代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源前，必須確定白

53、光LED應(yīng)達(dá)到必要的效率水平和質(zhì)量。</p><p>　　2.6大功率白光LED散熱技術(shù)</p><p>　　LED是靠電子在能帶間躍遷產(chǎn)生光，其光譜中不包含紅外部分，LED的熱量不能靠輻射散出，因此LED是“冷”光源。目前LED的發(fā)光效率僅能達(dá)到10%~20%，也就是說，還有80%~90%的熱量轉(zhuǎn)換成了熱能，如果LED芯片的熱量不能散出去，會加速芯片的老化，還有可能刀子焊點的熔化而使芯片

54、失效。所以，芯片的溫度不能超過125℃。大功率白光LED采用兩種新技術(shù)，分別是提高電流密度與發(fā)光效率。提高電力密度是利用金屬封轉(zhuǎn)方式將LED產(chǎn)生的熱量高效率擴(kuò)散，以提高輸入功率（相對于普通LED，大功率白光LED可提高20~40倍）。</p><p>　　2.7白光LED技術(shù)研究</p><p>　　白光LED的研究目的是實現(xiàn)高效率、高功率、長壽命，其技術(shù)難題是降低缺陷密度、改善歐姆接觸、

55、電場均勻性。提高光引出率、減小升溫等。在研究中采取的主要措施是側(cè)向生長、匹配襯底、封裝技術(shù)改進(jìn)等。</p><p>　　從芯片來說，目前在襯底材料、芯片外延技術(shù)以及白光LED器件的制作方面都取得了比較大的進(jìn)展。在藍(lán)寶石上，因為它的襯底不匹配，所以采用了側(cè)向外延技術(shù)，使白光LED的性能得到了比較大的提高。目前芯片研究進(jìn)展如下。</p><p>　?、倩谒{(lán)寶石襯底的藍(lán)、綠、紫及紫外光LED目

56、前所獲得的最佳性能是在采取側(cè)向生長等技術(shù)的基礎(chǔ)上取得的，目的在于減小位錯密度。藍(lán)、紫光器件的外量子效率約為40%，而綠、紫外光器件約為15%，離目標(biāo)值分別相差2~6倍?；谠撔酒陌坠釲ED的性能提高主要依賴于熒光粉和等封裝技術(shù)的改進(jìn)。</p><p>　?、谟捎诓捎锰蓟杷龅钠骷哂懈〉奈诲e密度，基于該襯底的℃各色光LED的性能仍優(yōu)于藍(lán)寶石襯底側(cè)向成長的LED，但由于該襯底材料比藍(lán)寶石貴7~10倍，有關(guān)性能

57、優(yōu)化的研究工作做的相對較少。</p><p>　?、鄯謩e用碳化硅和氧化鋁以及GaN和藍(lán)寶石作為襯底材料所做的發(fā)光期間對比實驗表明，它們的紫外發(fā)光特性具有數(shù)量級的差別，說明基于匹配襯底所做的低缺陷密度LED由可能獲得最佳的發(fā)光性能（包括流明效率和單管產(chǎn)生的數(shù)據(jù)）。</p><p>　　未來實現(xiàn)高效白光LED照明系統(tǒng)實用化，實施半導(dǎo)體照明研究的主要內(nèi)容如下。</p><p&

58、gt;　?、傺芯恳允褂米贤夤釲ED的AIN、GaN等為中心的化合物半導(dǎo)體的發(fā)光機理。</p><p>　?、诟倪M(jìn)藍(lán)光、紫外光LED的外延生長技術(shù)。</p><p><b>　　③開發(fā)均質(zhì)外延板。</b></p><p>　?、荛_發(fā)高效R、G、B熒光粉。</p><p>　　第三章 白光LED綜述</p>&

59、lt;p>　　3.1白光LED的特點</p><p>　　白光LED是最被看好的LED新興產(chǎn)品，其在照明市場的發(fā)展?jié)摿χ档闷诖?。與白熾燈及熒光燈相比，白光LED具有體積?。ǘ嘀弧⒍喾N組合）、發(fā)熱量低（沒有熱輻射）、耗電量小（低電壓、小電流啟動）、壽命長（1萬小時以上）、反應(yīng)速度快（可高頻操作）、環(huán)保（耐震、耐沖擊，廢棄物可回收，沒有污染）、可平面封裝、易開發(fā)成輕薄短小產(chǎn)品等優(yōu)點，沒有白熾燈高耗電、易碎及熒含

60、光燈廢棄物汞污染等缺點。白光LED與現(xiàn)行照明光源見表3.1。</p><p><b>　　表3.1</b></p><p>　　對白熾燈，φ5mmLED與大功率白光LED的壽命進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)大功率白光LED在壽命上有很大的優(yōu)勢，而白熾燈以及其他一些傳統(tǒng)光源在很多技術(shù)方面提升的空間已經(jīng)很小了。LED的光譜分布情況決定了其色純度和飽和度是傳統(tǒng)光源所無法比擬的，因此具有

61、很強的競爭優(yōu)勢。LED的封裝技術(shù)決定了其光源發(fā)光性非常強，大功率白光LED單顆粒光效高，體積小巧，設(shè)計彈性很大，可最大限度配合燈光載體的結(jié)構(gòu)特點，且安裝方便。</p><p>　　3.2白光LED的優(yōu)點</p><p>　　近幾年業(yè)界開始大量采用白光LED代替CCFL和EL作為LED的背光源。與CCFL、EL相比，白光LED具有如下優(yōu)點。</p><p>　?、倏墒?/p>

62、LCD的色彩更逼真，采用白光LED可提供130%的NTSC色階，而CCFL敬畏70%。</p><p>　?、谏A的擴(kuò)充使LCD影像的色度更飽和、更逼真；可使LCD的厚度更小，在18英寸LCD模塊中，采用白光LED作為背光源厚度為4~6mm，而采用CCFL時為8~12nm。</p><p>　　③壽命長，可達(dá)5萬小時。</p><p>　?、芊檄h(huán)保要求，白光LED

63、不含汞。</p><p>　　⑤與EL背光源相比，白光LED背光源不會產(chǎn)生干擾。</p><p>　　因此，白光LED背光源廣泛用于PC、TV、汽車音響、手機、通信設(shè)備、個人數(shù)字助理（PDA）和手表等領(lǐng)域，它已成為LCD背光源市場的主導(dǎo)產(chǎn)品。2002年白光LED的市場需求量的60%左右。目前，有綠、紅、藍(lán)和白光LED作為LCD的背光源，由于價格因素，綠光LED占主流，約占LED背光源產(chǎn)品的

64、80%。它的額定電流為2~20mA，亮度為600mcd。由于白光LED的成本較高，目前主要用于彩屏手機和彩屏PDA的背光照明以及汽車儀表的照明。</p><p>　　未來白光LED在技術(shù)上有朝三波長全彩方向發(fā)展的趨勢，目前發(fā)光效率為15lm/W，未來目標(biāo)是達(dá)到50lm/W。因此，三波長、全彩、高流明、低成本是白光LED的發(fā)展方向。白光LED的研發(fā)動向見表3.2。</p><p>　　表3.

65、2 白光LED的研發(fā)方向</p><p>　　3.3白光LED的展望</p><p>　　在研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面，大陸與國際一流水平的Lumi1eds、Cree、Osram、Nichia等公司存在較大差距，甚至和韓國和臺灣地區(qū)相比也有一定差距。國內(nèi)LED封裝產(chǎn)品的品種較齊全，封裝能力超過200億只/年，封裝的配套能力也很強，主要原材料和配套件來源廣泛，如金絲、硅鋁絲、環(huán)氧樹脂、銀漿、支架、

66、條帶、電鍍、塑料框架和各種塑料件、封裝模具、各種金屬件及工夾具等。但是很多封裝廠為私營企業(yè)，規(guī)模偏小。國內(nèi)以中科院半導(dǎo)體所、物理所、北京大學(xué)、清華大學(xué)、信息產(chǎn)業(yè)部13所等科研院所為代表，從“九五”開始積極介入第三代半導(dǎo)體材料氮化嫁(GaN)LED領(lǐng)域的研發(fā)，并在“九五”、“十五”期間逐步將技術(shù)成果進(jìn)行轉(zhuǎn)化。國內(nèi)GaN基藍(lán)色LED目前仍然存在以下問題:大功率芯片尚待突破，芯片的參數(shù)一致性、抗光衰和可靠性指標(biāo)等有待進(jìn)一步提高。目前超高亮度L

67、ED芯片主要依靠進(jìn)口，高檔次的芯片很難購進(jìn)。大功率LED封裝剛處于開發(fā)階段，沒有大功率LED芯片，就很難在封裝上有所突破。13所對功率型LED封裝技術(shù)開展研究工作，并開發(fā)出功率LED產(chǎn)品。其他有實力的LED封裝企業(yè)(外商投資除外)，如佛山光電、廈門華聯(lián)、寧波愛米</p><p>　　下圖為LED的上中下游大致分工生產(chǎn)流程圖：</p><p>　　圖4.1上中游的分工生產(chǎn)流程圖</p&

68、gt;<p>　　圖為國內(nèi)外主要的專利產(chǎn)權(quán)形勢圖。大部分專利技術(shù)掌握在以Cree、Lumileds、Nichia、ToyodaGosei、Osram為首的少數(shù)大公司手中，對核心技術(shù)有很強的保護(hù)措施，這些強勢企業(yè)從高端的外延生長到低端的外封裝筑起了專利壁壘，主導(dǎo)了半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的進(jìn)程。國內(nèi)企業(yè)的發(fā)展，大多從門檻較低的中端起步，逐步向上游乃至設(shè)備的研發(fā)發(fā)起沖擊。</p><p>　　在不久的未來，憑借著

69、LED的無法替代的優(yōu)勢，LED會出現(xiàn)在市場的各個領(lǐng)域，逐步將白熾燈等傳統(tǒng)的照明設(shè)備的市場份額占據(jù)。LED帶動出的照明革命會影響到千家萬戶，乃至整個國家，由于廣泛使用LED作為照明可以使得全國一年內(nèi)節(jié)約下的電能超過整個三峽發(fā)電站所發(fā)的總電量。</p><p>　　所以LED的前途不可限量，希望我國盡快趕上歐美，日本，臺灣，讓我國早日踏入LED照明時代。</p><p><b>　　

70、總 結(jié)</b></p><p>　　白光LED是最被看好的LED新興產(chǎn)品，其在照明市場的發(fā)展?jié)摿χ档闷诖?。與白熾燈及熒光燈相比，白光LED具有體積?。ǘ嘀?、多種組合）、發(fā)熱量低（沒有熱輻射）、耗電量小（低電壓、小電流啟動）、壽命長（1萬小時以上）、反應(yīng)速度快（可高頻操作）、環(huán)保（耐震、耐沖擊，廢棄物可回收，沒有污染）、可平面封裝、易開發(fā)成輕薄短小產(chǎn)品等優(yōu)點，沒有白熾燈高耗電、易碎及熒含光燈廢棄物汞污

71、染等缺點。</p><p>　　文章首先對國內(nèi)國際的LED發(fā)展做了一個總的概述，接著對LED的發(fā)光及LED發(fā)白光的原理進(jìn)行了一個詳細(xì)的研究。隨后，對白光LED的技術(shù)參數(shù)做了詳細(xì)介紹說明，包括白光LED的發(fā)光效率，襯底材料，封裝技術(shù)和工藝。然后特別針對大功率白光LED的散熱技術(shù)做了簡要說明。</p><p>　　在最后一張詳細(xì)描述了白光LED的特點、優(yōu)點以及未來展望。</p>

72、<p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本論文是在導(dǎo)師XX高級工程師的悉心指導(dǎo)下完成的。導(dǎo)師淵博的專業(yè)知識，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，誨人不倦的高尚師德，嚴(yán)以律己、寬以待人的崇高風(fēng)范，樸實無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠(yuǎn)。不僅使我樹立了遠(yuǎn)大的學(xué)術(shù)目標(biāo)、掌握了基本的研究方法，還使我明白了許多待人接物與為人處世的道理。本論文從選題到完成，每一步都是在導(dǎo)師

73、的指導(dǎo)下完成的，傾注了導(dǎo)師大量的心血。在此，謹(jǐn)向?qū)煴硎境绺叩木匆夂椭孕牡母兄x！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[Robert F. Pierret]，半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)，電子工業(yè)出版社，2006.</p><p>　　周志敏 紀(jì)愛華 ，白光LED驅(qū)動電力設(shè)計與應(yīng)用實例，2009.</p><

74、;p>　　周志敏 周紀(jì)海 紀(jì)愛華，LED照明技術(shù)與應(yīng)用電路，2009.</p><p>　　【日】LED照明推進(jìn)協(xié)會，LED照明設(shè)計與應(yīng)用，2009.</p><p>　　陳大華，綠色照明LED實用技術(shù)，2009.</p><p>　　夏建白，現(xiàn)代半導(dǎo)體物理，2000.</p><p>　　史國光，半導(dǎo)體發(fā)光二極管及固體照明，2007.