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高亮度发光二极管的应用前景2020-06-06 08:32

    发光二极管一个很大年夜的特点,是其具有低电流、低电压驱动的省电特点,而这样的特点在世界能源本钱贫乏及各国针对绿色环保不雅观念提升之际,非凡吸引巨匠的寄望。今朝各国政府除致力于新型能源的斥地外,对既有电器设备效能的提升及环保的研究也投注了相当的心力。而在研发若何降落工业用电量的同时,今朝普及率约80%的家电用品耗电量也慢慢遭到重视。在照明方面,若操纵今朝发光效能较高的萤光灯具(66-75lm/W)替换常规操纵的60W白炽灯泡,在每年点灯时辰为3500小时的情况下来计较,一年约可俭仆电量约6.89亿度(约8.86万kW)。 

  萤光灯具当然具有较高的发光效能、较低的制造成本等优点,可是因为萤光灯具的灯管中含汞,而且用于封装萤光灯具的材料又以可领受紫外线的玻璃为主,玻璃易碎的特点加上汞废料的不轻易收受接收,均会严重地造成环境的污染。是以欧盟已明令将在2007年最早禁用这些含汞制品,也是以新型照明灯源的斥地成为各国政府成长的方针,而LED(light emitting diode),也就是我们泛泛说的发光二极管,更是今朝各国在照明方面成长的重点。 

发光二极管的发光事理 

  所谓的发光二极管其结构根底上就是常规的p-n二极管,但其重要功能其实不是用来整流,而是把持其在加上正偏压后电通顺过pn接面时,促使接面部分的电子空穴连络而放光,其发光的特点可参考图1。 

  而发光二极管所发出光的波长除抉择于二极管所用半导体材料的波长外,也取决于不合材料间的同化比例。图2为各发光材料能带、晶格常量与发光波长间的关系,可以看出今朝红、黄、绿光重要是以InGaAlP材料为主,而蓝、绿光则是以InGaN材料为主。 

发光二极管的工艺手艺 

  对半导体发光二极管而言,晶格的匹配是一个重大年夜的课题,因为对大年夜部分III-V族半导体而言,并没有刚好适合的基板(substrate)可承载上方的磊晶层,而成长的磊晶层其晶格大小必须与基板的晶格匹配,才不至于面对力的成分导致晶格错误谬误,使得器件发出的光子被错误谬误领受,而大年夜幅降落器件的发光效能。最早的III-V族半导体异构磊晶(heteroepitaxy)是采纳GaAs作基板,并在其上生成GaAlAs的磊晶层,因为这两种材料的晶格很是近似,所以磊晶层与基片之间的应力极小,是以研发历程中并没有发生太大年夜的困扰。可是后来陆续成长出来的磊晶如GaAs1-xPx成长在GaAs基板上或是GaAsxP1-x成长在GaP基板上都有应力存在的问题。是以在光电材料中,经常会经过进程调解二元、三元甚至四元材料的比率,这样一方除可以借助不合大小的多元原子的比例来匹配基片的晶格结构外,也可经过进程调解半导体的能隙大小,来调解发光器件发光的波长,这样的体例在磊晶参数的调解上也复杂良多,是以可以看出,磊晶手艺可以说是半导体发光器件手艺中的核心。 

  在磊晶体例提升的同时,磊晶的结构也在延续地改良。最早的结构当然是常规p-n接面的发光二极管,可是其发光效能并没有法取得较着地改进,是以把持单一异质接面(Single Heterojunction,SH)结构的体例最早被操纵在磊晶的工艺上,可以提高二极管中少数载子注入(minority carrier injection)效能,是以发光效能获得较着地提升。今后又成长出双异质接面(Double Heterojunction,DH)结构,这类结构两边的材料能隙高于中间者,是以可以很是有效的将双边的载子注入到中间层且将这些载子完全困在这一范围内,从而生成很是高的光电转换效能。最新的飞利浦led灯珠体例当然是在磊晶层傍边采纳量子结构,当双异质接面结构的中间层厚度慢慢缩小到数十埃(A)时,电子或空穴即生成量子效应,从而可大年夜幅提升光电转换的成果。 

  在此所提的磊晶手艺重要是针对III-V族材料中发光波长集中在红、黄光波段材料的GaAs系列。这系列的发光二极管成长较早,也较早获得较佳的功效。可是若希望获得全彩的半导体光源,不管若何须需成长出蓝、绿光波段的半导体发光二极管,而GaN系列的发光二极管也有这样的需求,比来几年来有了较着的进步。非凡将GaN材料的成长历史及演进、今朝的成长清理以下。 

GaN材料的成长——蓝光发光二极管 

  操纵于蓝、绿光发光二极管的材料,早期重要是ZnSe及GaN。因为ZnSe有靠得住度的问题,是以才让GaN有更大年夜的成漫空间。只是早期GaN的研究迟迟未能获得较着的进展,重要是因为一贯没法查找与GaN晶格常量相匹配的基板,造成磊晶中错误谬误集成度过高,是以发光效能始终没法提升。别的一个造成GaN没法获得打破的启事在于器件的P-GaN部分生成不轻易,不单 P-GaN的掺杂(doping)太低,而且其空穴的移动率(mobility)也较低。这样,一贯到1983年日本的田贞史(S.Yoshida)等人在蓝宝石(Sapphire)基板上先用高温成长氮化铝(AlN)当作缓冲层,然后生成出的GaN才获得较佳的结晶,今后名古屋大年夜学的赤崎勇教授 (I. Akasaki)等人把持MOCVD在低温下(600oC)先成长AlN缓冲层,而取得其上方在高温成长后如镜面般的GaN。1991年日亚公司(Nichia Co.)的研究员中村修二 (S.Nakamura)把持低温成长GaN的非结晶缓冲层,再以高温成长取得同为镜面般的GaN,此时磊晶部分的问题已获得重大年夜的打破。别的一方面,1989年赤崎勇教授把持电子束晖映镁(Mg)掺杂的P-GaN,可取得较着的P型GaN,今后日亚公司的中村修二又直接把持700℃的热退火完成P型GaN的建造,至此困扰GaN成长的两个重大年夜问题终获得打破。 

  1993年,日亚公司把持上面的两项研究,成功斥地出可发出一烛光(Candela)的GaN蓝光发光二极管,其寿命达数万小时。而后绿光发光二极管、蓝、绿光二极管激光陆续被斥地出来。 

发光二极管效能的提升 

  发光二极管的发光效能一般称为器件的外部量子效能(external quantum efficiency),它是器件的内部量子效能(internal quantum efficiency)与器件的取出效能(extraction efficiency)的乘积。所谓器件的内部量子效能其实就是器件本身的电光转换效能,重要与器件本身的特点如器件材料的能带、错误谬误、杂质,及器件的磊晶组成及结构等有关。而器件的取出效能指的则是器件内部生成的光子,在经过器件本身的领受、折射、反射后实际上在器件外部可测量到的光子数目。是以相关于取出效能的成分包含了器件材料本身的领受、器件的几何结构、器件及封装材料的折射率差及器件结构的散射特点等。而上述两种效能的乘积,就是全数器件的发光成果,也就是器件的外部量子效能。早期器件的成长集中在提升其内部量子效能,体例重要是把持提高磊晶的质量及改变磊晶的结构,使电能不轻易转换成热能,进而间接提高LED的发光效能,从而可获得约70%左右的理论内部量子效能。可是这样的内部量子效能几近已接近理论的极限,在这类状况下,光靠提升器件的内部量子效能是不成能提升器件的总光量的,也就是外部量子效能达到今朝的两到三倍,提升器件的取出效能便成为首要的课题。今朝用于提升器件取出效能的体例,重要可以分为以下几个标的目标: 

晶粒外型的改变——TIP结构 

  常规发光二极管晶粒的建造为标准的矩型外不雅观。因为一般半导体材料折射系数与封装环氧树脂的不同大年夜,从而使交接口全反射临界角小,而矩形的四个截面彼此平行,光子在交接口分隔半导体的机率变小,让光子只能在内部全反射直到被领受殆尽,使光转成热的形式,造成发光成果更不佳。是以,改变LED外形是一个有效提升发光效能的体例。HP公司所成长的TIP (Truncated-Inverted- Pyramid)型晶粒结构,四个截面将不再是彼此平行,而光即可很有效的被引出来,外部量子效能则大年夜幅提升到55%,发光效能高达100流明/瓦,是第一个达到100lm/W的发光二极管(如图3)。 

  可是HP的TIP LED只是用在易于加工的四元红光发光二极管上,对操纵硬度极高的蓝宝石(Sapphire)基板的GaN系列发光二极管而言有相当的坚苦。2001年初Cree公司使一样的结构概念(图4),夹着其基板是SiC的优势,一样成功将GaN/SiC 发光二极管一样作成具有斜面的LED,并将外部量子效能大年夜幅提升到32%;可是SiC基板比Sapphire贵很多,是以今朝在这一手艺上,还没有进一步的进展。 

概况粗化(surface roughness) 

  经过进程将器件的内部及外部的几何外形粗化,破坏光线在器件内部的全反射,提升器件的取出效能。这样的体例最早是由日亚化学所提出的,其粗化体例根底上是在器件的几何外形上组成法例的凹凸外形,而这类法例漫衍的结构也依地址位置的不合分为两种形式,一种是在器件内设置凹凸外形,别的一种编制是在器件上方建造法例的凹凸外形,并在器件后背设置反射层。由于操纵常规工艺即可在GaN系化合物半导体层的接口设置凹凸外形,是以上述第一种编制具有较高的合用性。今朝若操纵波长为405nm的紫外线器件,可获得43%的外部量子效能,取出效能为60%,为今朝全球最高的外部量子效能与取出效能。 

芯片粘贴手艺(wafer bonding) 

  因为发光二极管所生成的光线在经过多次全反射后,大年夜部分都被半导体材料本身与封装材料所领受。是以若操纵会吸光的GaAs作为AlGaInP LED的基板时,将使得发光二极管内部的领受损失落变得更大年夜,降落了器件的取光效能。为了削减基板对LED所发出光线的领受,HP首先提出透明基板的粘贴手艺。所谓的透明基板粘贴手艺重要是将发光二极管晶粒先在高温环境下施加压力,并将透明的GaP基板粘贴,今后再将GaAs除去,如此便可将光线取出率提高两倍。 

  上述的芯片粘贴手艺今朝重要还是操纵在四元LED器件上,可是比来也最早将此手艺利用在GaN LED上。Osram Opto Semiconductors在2003年2月也颁布了新的研究功能——ThinGaN,可将蓝光LED取光效能提升到75%,比常规提升了3倍。 

覆晶封装(Flip chip) 

  对操纵蓝宝石基板(sapphire substrate)的GaN系列的材料而言,因为其P极及N极的电极必须做在器件的同一侧,是以若操纵常规的封装体例,占器件大年夜部分发光角度的上方发光面将会因为电极的挡光而损失落相当程度的光量。所谓的flip chip结构即是将常规的器件反置,并在p型电极上方建造反射率较高的反射层,借以将原本从器件上方发出的光线从器件其他的发光角度导出,而由蓝宝石基板端缘取光(如图5)。这样的体例因为降落了在电极侧的光耗损,可有接近于常规封装编制两倍左右的光量输出。别的一方面,因为覆晶结构可直接经过进程电极或是凸块与封装结构中的散热结构直接接触,从而大年夜幅提升器件的散热成果,进一步提升器件的光量。 

固态照明——白光发光二极管的发光事理 

  在各色Lled灯珠单价ED发光效能最早大年夜幅提升的同时,将高亮度LED操纵于照明的可能性也越来越高。而这样操纵的考虑在于若何斥地出白光发光二极管。 

  今朝把持发光二极管配成白光的体例重要有三种,分袂声名以下: 

单晶蓝光LED与黄光萤光粉 

  日亚公司在蓝光发光半导体被成功斥地出来今后,随之斥地出来的产品便是白光发光二极管。其实日亚公司的白光发光二极管其实不是半导体材料本身直接发出白光,而是经过进程蓝光发光二极管激起涂布在其上方的黄光YAG萤光粉,萤光粉被激起后生成的黄光与原本用于激起的蓝光互补而生成白光。今朝日亚公司市售商品乃是把持460nm的InGaN蓝光半导体激起YAG萤光粉,而生成出555nm的黄光,而且已完全商品化,与其他几家一样在成长高亮度LED的大年夜厂Lumileds Lighting、Cree、丰田合成(Toyoda Gosei)在LED市场上不竭在竞争。而随着蓝光晶粒发光效能的不竭提升和YAG萤光粉合成手艺的慢慢成熟,蓝光晶粒与黄光萤光粉封装的白光发光二极管为今朝较成熟的白光发光二极管手艺。 

单晶型UV LED+RGB萤光粉 

  当然说把持蓝光晶粒配合黄光YAG萤光粉的白光发光二极管封装手艺是今朝较成熟的手艺,可是把持这样体例封装出来的白光发光二极管有几个严重的问题迟迟没法解决。 

  首先是平均度的问题,因为激起黄光萤光粉的蓝光晶粒实际上参与白光的配色,是以蓝光晶粒发光波长的偏移、强度的改变及萤光粉涂布厚度的改变城市影响白光的平均度。最常看见的例子便是把持这类编制封成的白光发光二极管中间的部分看起来偏蓝(或偏白),而旁边的区域看起来较黄(萤光粉涂布较厚)。而每颗白光发光二极管的色采更不尽不异。 

别的一方面,成长此手艺的日亚公司具丰年夜部分相关于蓝光晶粒工艺手艺与黄光YAG萤光粉相关白光发光二极管的专利,而日亚公司对专利是采用寡占市场的立场,是以对把持蓝光晶粒配合黄光萤光粉生产白光发光二极管的厂商都是有患难言。而把持蓝光晶粒配上黄光萤光粉的白光发光二极管手艺,更有白光色温偏高、演色性偏低等问题。是以斥地一个成果更好且没有专利问题的手艺是今朝各发光二极管厂商的重大年夜课题。 

  UV LED配上三色(R、G、B)萤光粉供给了别的一个研发标的目标。其体例重要是把持实际上不参与配出白光的UV LED激起红、绿、蓝三色萤光粉,经过进程三色萤光粉发出的三色光配成白光。这样的体例因为UV LED不实际参与白光的配色,是以UV LED波长与强度的波动对配出的白光而言不会非凡的敏感。并可经过进程各色萤光粉的选择及配比,调制出可接收色温及演色性的白光。而在专利方面,把持UV LED+RGB萤光粉相关的研发仍有相当的阐扬空间。可是这样的手艺当然有各类的优点,可是仍有相当的手艺难度,这些坚苦包含配合萤光粉紫外光波长的选择(萤光粉最好转换效能的激起波长)、UV LED建造的难度及抗UV封装材料的斥地等等,都有待各研发单位一一去解决。 

多晶型RGB LED 

  将发出红、蓝、绿三种色采的晶粒直接封装在一路,经过进程红、绿、蓝三色直接配成白光的编制,可制成白光发光二极管。把持三色晶粒直接封装成白光二极管这类体例是最早用于制成白光的编制,其优点是不需经过萤光粉的转换,经过进程三色晶粒直接配成白光,除可避免因为荧光粉转换的损失落而取得较佳的发光效能外,还可以经过进程分袂控制三色发光二极管的光强度,达成全彩的变色成果(可变色温),并可经过进程晶粒波长及强度的选择取得较佳的演色性。但其毛病错误是混光坚苦,操纵者在此光源前方遍地可轻易不雅观察到多种不合的色采,并在各遮掩物后方看到彩色的影子。此外,因为所操纵的三个晶粒都是热源,散热问题更是其他种封装类型的三倍,从而增加了其操纵上的坚苦。今朝把持多晶形RGB LED封装类型的白光发光二极管约可取得25~30 lm/W的效能。重要操纵在散热问题较不严重的户外显示板、户外景不雅观灯、可变色洗墙灯等。但别的一方面,若可经过进程电子电路控制的设计,把持多晶形RGB LED封装类型的发光二极管很有可能成为替换今朝操纵CCFL的LCD背光模块中背光源的重要光源之一。 

散热是白光LED操纵于照明的重要研究课题 

  当然说随着白光发光二极管发光效能的渐渐提高,将白光发光二极管操纵在照明的可能性也越来越大年夜,可是很较着单颗白光发光二极管其驱动电源均偏低,是以以今朝的封装类型是不太可能以单颗白光发光二极管来达到照明所需要的流明数。针对这个问题,今朝重要的解决体例大年夜致上可分为两类,一类是比常规地将多颗发光二极管把持组成光源模块来操纵,而其中每单颗发光二极管所需要的驱动电源与一般所操纵的不异(约为20-30mA);别的一种体例是今朝几个高亮度发光二极管制造商所操纵的体例,即是操纵所谓的大年夜晶粒工艺,此时不再操纵常规晶粒的大小(0.3mm),而是使晶粒工艺尺寸更大年夜(0.6mu-1mm),并操纵高驱动电流来驱动这样的发光器件(凡是是150-350mA,今朝可高达500mA以上)。但不论是操纵何种体例,城市因为必须在极小的发光二极管封装中措置极高的热量,若器件没法散去这些高热,除各类封装材料会因为彼其间膨胀系数的不合而有产品靠得住度的问题外,晶粒的发光效能也会随着温度的上升而有较着地下降,并造成其寿命较着缩短。是以若何散去器件中的高热,成为今朝发光二极管封装手艺的首要课题。 

  对发光二极管而言,最首要的便是输出的光通量及光形,所以发光二极管其中一端必定不能遮光,而需操纵高透明成果的环氧树脂材料包覆。可是今朝的环氧树脂几近都是不导热材料,是以对今朝的发光二极管封装手艺而言,其重要的散热都是把持其发光二极管晶粒下方的金属脚座(leadframe)来散去器件所发出的热量。就今朝的趋势来看,金属脚座材料的选择重要是以高热传导系数的材料组成,如铝、铜甚至陶瓷材料等,但这些材料与晶粒间的热膨胀系数不同甚大年夜,若将其直接接触很可能因为在温度升高时材料间生成的应力而造成靠得住度的问题,所以一般城市在材料间加上兼具传导系数及膨胀系数的中间材料作为间距。采纳上述的不雅观念,松下电器于2003年将多颗发光二极管制成在金属材料与金属系复合材料所制成的多层基板模块上以组成光源模块,把持光源基板的高导热成果,使光源的输出在长时辰的操纵下仍能连结不变(如图6)。 

  一样把持高散热基板的想法,Lumileds将其操纵在大年夜面积晶粒的产品上(如图7)。Lumileds基板所操纵的材料是具有高传导系数的铜材,再将其连接到特制的金属电路板上,兼顾电路导通及增加热传出的成果。 

  除Lumileds外,包含Osram Opto Semiconductors及日亚化学都已推出1W以上大年夜晶粒的产品(图8、图9)。从这些高亮度发光二极管制造商纷繁推出大年夜晶粒、大年夜功率的产品来看,恍如大年夜晶粒相关的工艺、封装手艺恍如已慢慢成为高亮度发光二极管的主流。可是大年夜晶粒相关的工艺及封装手艺不只是将晶粒面积做大年夜而已,相关的工艺及封装手艺对常规发光二极管厂商而言还是有着相当的门槛,可是若希望将发光二极管推往高亮度照明范围,相关手艺的研发仍为必经的历程。 

将手艺化为量产 

  随着比来几年来发光二极管发光效能渐渐提升,将发光二极管作为发光光源的可能性也越来越高。可是在人们只考虑提升发光二极管发光效能的同时,若何充分把持发光二极管的特点息争决将其操纵在照明时可能会碰着的坚苦,已经是各大年夜照明厂今朝的方针。今朝的坚苦包含散热问题,和发光二极管不凡发光光形的把持等。 

  在散热方面,发光二极管当然号称为冷光源,可是因为今朝其电光效能仍有改进的空间,也就是说仍有相当程度的电能因为没有转换成光而造成多余的热能,这些热能集中在晶粒尺寸大小时将造成严重的散热问题。是以卓异的散热设计及散热材料的斥地为今朝的重点。 

  而就发光二极管的发光光形而言,发光二极管有与常规灯源完全不合的发光特点,除因为其晶粒本身极小的尺寸外,各类发光二极管不合的封装类型也会造成完全不合的发光光形,是以相对发光二极管照明操纵的设计将不能再简单地在光源上套上聚光透镜或是反射镜,而是必须经过更仔细的光学设计。在这些部分的研发,各公司及研发单位都有不合的标的目标,可是除斥地手艺外,若何将这些手艺量产化、降落这些固态光源的成本,更是未来几年固态光源能否成为照明光源主流的关键