led技术与应用发展趋势(超好)

技术与应用发展趋势张明芳，张培新，任祥忠，彭海林深圳大学化学与化工学院，广东深圳(518060)E-mail:[e-mail]摘要：LED由于寿命长、节能环保等诸多优点越来越被广泛应用，目前正进入功率型白光LED设计封装阶段，以期望能够取代白炽灯和日光灯，普遍用于家庭照明中。本文主要综述了国内外大功率白光LED的几种获得途径，芯片及封装的设计面临的困难及解决方案的进展，包括所用材料及封装设计模型的发展历史与现状、优缺点的相互比较，以及现代计算机模拟技术在LED设计中的应用等，并对功率型白光LED在未来的应用进行了展望。关键词：功率型白光LED；封装；应用中图分类号：R7760.引言LED是一种可将电能转变为光能的半导体发光器件，属于固态光源。LED在20世纪60年代初期问世，当时的LED以红色为主，发光效率很低，光通量很小，只能做指示灯和仪表显示器使用。随着管芯材料、结构和封装技术的不断进步，LED颜色品种增多，光效大幅度提高。目前红光LED的光效已达到100lm/w,绿光LED也达到50lm/w,单只LED的光通量可达几十流明。尤其是近年来高光效、高亮度的白光LED的开发成功，使得LED在照明领域中的应用成为可能。LED作为新型光源，具有寿命长、启动时间短、无紫外线、色彩丰富饱满、可做全彩变化、低压安全等特点。除了在传统的信号显示领域长期应用外，近年来高功率（HI-POWER）超高亮度的问世极大的拓展了LED的应用领域，如今LED在娱乐、城市建筑物美化、景观照明等方面有非常广泛的应用，并朝日常照明应用的方向发展[1-4]。1.白光LED的获得途径20世纪末白光LED的出现吸引了各国政府级企业的热情关注，成为光电子、照明工程科技领域中的一个热门。短短的五六年时间，白光LED的研发和应用取得了举世瞩目的成绩。人们期望白光LED成为第四代照明光源，达到节能的绿色照明目的。白光LED的光效达到50lm/w以上时，可开始部分取代白炽灯，进入商业照明；光效达到100lm/w以上时，开始进入家庭照明。目前的水平还有较大差距，某些材料、器件和工艺还存在一些关键问题。目前正在研究的白光的获得方法主要有三类[5-7]:光转换型、多色组合型、多量子阱型。1.1光转化型光转化型又分两种，一种是蓝色LED芯片发出的蓝光激发黄绿荧光粉发光，使蓝光与黄、绿光混合发出白光，二是紫外光或紫光LED激发三原色荧光粉，发出白光。目前这种方法的外量子效率已高达43%,工作波长382nm,有望在2010年光效达到120lm/W。但另一面,这种方法会增加系统复杂性,并且这种转换会导致能量的损失。同时,由于是采用了紫外光源,有可能会产生紫外光污染[2,8-10]。前者已商品化的有采用单颗发蓝光(Al)InGaN芯片与受蓝光激发发黄光的YAG:Ce3+荧光粉转换成的较效率高,操作上较易实现的白光LED（图1所示），而且没有紫外光成分,不会造成紫外光污染,是目前使用昀广泛的方法[11-13]。但现有YAG:Ce3+荧光粉颗粒已经不能满足功率型LED的演色性、色温、热稳定、出光效率和封装等发展要求。LIPanLai[14]等研究了用Sr3SiO5:Eu2+代替YAG:Ce3+获得白光LED，经CIE色坐标测试结果表明其演色性良好。Maliang[15]等制备了Ba3MgSi2O8:Eu2+,Mn2+荧光粉，量子效率较高。图1一种白色光LED的结构示意图1.2多色组合型多色组合型是将R、G、B三色LED芯片按一定方式排布集合成一个发白光的标准模组,这种方法具有效率高和使用灵活的优点,由于发光全部来自三种LED,不需要进行光谱转换,因此,其能量损失昀小,效率昀高。同时,由于RGB三色LED可以单独发光,其发光强度可以单独调节,故具有相对较高的灵活性，且演色性高，但封装比较复杂。1.3多量子阱型多量子阱型是在芯片发光层的生长过程中,掺杂不同的杂质生长出能产生互补色的多量子阱,通过不同量子阱发出的多种光子复合发射白光。这种方法对半导体的加工技术要求很高,目前难以达到。上述只种技术途径均可获得白光，但都有共同的技术关键有待突破,包括芯片技术、封装工艺技术、荧光体技术。当前在上述三个关键技术领域已有了迅速的进展，但还有许多技术及工艺过程须要进一步研究提高，才能实现商品化进人市场，成为让普通消费者可接受的消费品，由于技术、工艺、生产成本等因素的影响,应用昀多的是光转换型,其次是多色组合型。以发展的眼光来看,多量子阱型应是未来的发展趋势。但由于技术的限制,生长不同结构的量子阱相对困难得多,在短时间内还不能产业化。2.功率型芯片的设计LED芯片是决定其发光质量的内因，所以首要探讨芯片的研究历史与现状。芯片材料的选取历经了Si、Ge、GaAs、GaN等材料,目前使用的是InGaN/AlInGaN异质体材料，发展已基本成熟，并进行了双异质体，大面积芯片，组织粗糙面，采用光子晶体等设计[2,16-18]。2.1大面积芯片要得到功率型LED，则要增加电流，但当电流增加的时，因为热的关系，亮度不增反减，所以要得到高电流或高功率，则必须用大面积（Al）InGaN芯片以减小电阻。但由于大面积（Al）InGaN的光在内部反射被吸收以致光取出效率较低，其外部量子效率也低，所以这种方法也是有限制的。2.2表面微结构粗化由于在芯片与封装用胶之间存在全内反射，由LED芯片产生的光子并不能完全射出器件，这也是获得高取出效率的昀大之一。另外还有内部（重复）吸收，电连接的热阻等。表面微结构粗化一定程度上可增加光子射出率，可用ICP干法刻蚀工艺和自然光刻技术在芯片表面形成纳米级粗糙层，提高器件出光效率的又一个有效技术，该技术的基本要点是在芯片表面刻蚀大量尺寸为光波长量级的小结构，每个结构呈截角四面体状，如此不但扩展了出光面积，而且改变了光在芯片表面处的折射方向，从而使透光效率明显提高。采用表面粗化处理的器件系统的电阻可降低，这是因为表面粗化后增加了接触面积和经过激光辐照后，具有了更高的空穴浓度。如Lung-ChienChen[19]研究了在GaN上沉积氧化锌纳米粗糙层，结果显示出光能比现有的20mA增加了27.5%。H.Fang[20]等直接利用化学腐蚀方法蚀刻GaN芯片表面，结果光取出效率有所增加，2.3异质体结构异质体结构是由两种不同半导体材料组成的PN结，由于两种材料带隙能量不同，就称为异质体结构，通常两种材料的晶格结构差异不能太大。如图2所示，为单异质体结构。这种结构由两种材料组成PN结，N型半导体间隙能为Eg1，P型半导体的间隙能为Eg2，Eg1大于Eg2，N型半导体较大的间隙能更适宜于空穴的注入和P型半导体中产生的光子的穿越，于是减小了对光子的内部吸收，增加光射出效率。已经应用的单异质分别是AlInGaN和InGaN组成的PN结。目前正在研究的有双异质体结构，更适合大功率白光LED的应用。如Y.Deshayes[21]等研究了GaAs\AlGaAs\GaAs双异质体芯片，由于缺陷能进一步降低，使得光量子效率增大。图2异质体结构示意图2.4量子点材料量子点，又可称为纳米晶，是一种由II－VI族或III－V族元素组成的纳米颗粒。量子点的粒径一般介于1～10nm之间，由于电子和空穴被量子限域，连续的能带结构变成具有分子特性的分立能级结构，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应特别显著。由于量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能阶结构，具有分离的量子化的能谱。所对应的波函数在空间上位于量子点中，但延伸于数个晶格周期中。受激后可以发射荧光。量子点材料与一般材料相和量子肼相比有许多独特的性质，如在热冲击下更加稳定，发光强度可增加等。L.Rigutti[22]研究制备了InGaN\GaN量子点芯片，并研究了使得光度增强的内因，即声子传递能量降低。3.封装材料及方法在完成功率型芯片制作后，面临着如何将芯片进行封装的挑战。对于大功率型LED器件的封装方法，并不能简单的套用传统的小功率LED器件封装方法及材料。研究表明，高功率LED只能将20%的电能成光能，其余都会以热能的形式散失。如果高达80%的热能无法及时散失，那么LED的寿命将会因此大打折扣。LED散热能力通常受到封装模式以及封装材质的导热性影响，散热途径也不外乎传导、对流、辐射这三种。由于LED封装材料中积聚的热能大部分是以传导方式散失，因此对封装材质，封装方法的要求非常重要，另外大功率封装对光取出效率的进一步提高也有要求[23-25]。3.1表面封装材料长久以来，在对LED散热要求不是很高的情况下，多利用传统树脂基板进行封装。然而，随着市场应用领域不断扩大，需求层次不断提高，传统的树脂基板在高功率LED世代到来后，已渐渐不敷使用。因此，探讨和展望功率LED的封装材料，便成为业界关注的热点话题。传统材质已无法满足高功率LED散热需求随着市场上越来越多的高功率LED应用出现，在考虑如何散失热能的同时，还要兼顾LED发光的稳定性与持续性。如果LED的热能无法尽快散失，那么其亮度和寿命都将下降得很快，并且很可能出现LED芯片本身寿命还未达到之前，环氧树脂就已经无以为继的情况。此外，不仅散热现象会使环氧树脂产生变化，甚至连短波长也会对环氧树脂造成困扰。这是因为在白光LED发光光谱中也包含短波长光线，而环氧树脂很容易受到白光LED中的短波长光线破坏。即使是低功率的白光LED，已能使环氧树脂破坏情况加剧，更何况高功率的白光LED所发出的短波长光线更多，恶化现象自然更加快速和严重。因此，找到全新材质来替代环氧树脂封装高功率LED已经迫在眉睫[26-28]。采用硅树脂封装材料来延长长时间工作后的光输出性能表现，带来高可靠度封装和更长使用寿命兼容回流焊程序；低热阻；更高的散热效率，可以带来更好的温度管理和较稳定的光度输出。但其在长时间高温条件下，仍存在有机材料的变黄老化问题。并且上述类型都是将荧光粉涂于环氧树脂或硅树脂封装膜上，存在着树脂易老化变黄的问题的同时，荧光粉也存在涂抹不均匀且易老化问题，不适用大功率LED的封装[29-30]。作者正在研究一种用溶胶凝胶法制备的掺稀土离子的荧光玻璃陶瓷，用于封装，一方面可使发光中心高度均匀分布，另一方面无机玻璃陶瓷可极大减小老化问题，适用于大功率LED的封装[31-36]。3.2散热基板材料在LED系统散热方面,尤其是大功率LED，选择合适的基板，对其散热性和可靠性都具有重要影响,而目前基板主要有陶瓷基板、金属基板和复合基板[37-38]。3.2.1陶瓷基板陶瓷基板主要是低温共烧陶瓷(LTCC）基板和AlN基板。LTCC基板具有诸多优点:易于成型、工艺简单、成本低而且容易制成多种形状。现在常用的Al2O3基板,由于热导率低,已不能满足这种要求。BeO基板虽然热导率高,但其线膨胀系数与Si相差很大,且制造时有毒,限制了自身的应用。而AlN基板由于具有高热导率、电性能优良、机械性能高且无毒,硬度Al基板相近。而AlN陶瓷基板的高导热率、高硬度、线膨胀系数与Si接近以及绝缘性使AlN陶瓷基板在大功率LED封装应用上具有广阔的前景。3.2.2金属基板Al或Al合金密度小、价格低、加工性好,是LED封装基板的优良材料,由于金属材料的导电性,为使其表面绝缘,往往需通过阳极氧化处理,使其表面形成薄的绝缘层。利用Al基板可以降低封装成本,而且Al基板制造工艺过程简单,导热性能优越，但这种表面经阳极氧化并制作了相关电路的Al合金基板与LED芯片间存在热膨胀系数匹配问题。由于Cu具有更优良的导热导电性能,所以Cu基板也被广泛地应用。复合材料单一材料很多场合下无法满足封装的需求,此时需要把几种材料结合起来以获得高热导率低膨胀的金属基复合材