高功率LED分析和总结.docx

高功率 GaN 基 LED 器件的研究现状与发展 1、引言 自从 1962 年美国通用电气公司的 Holonyak 博士发明了世界上第一支发光二极管(LED)[1]以来，使 LED 发出全部颜色可见光的努力就没有停止过。AlGaInP 材料制成的 LED 可以覆盖从红光（650nm）到黄光（580nm）的范围。1993 年，日本的 Nakamura 解决了 p 型 GaN 的掺杂问题，成功研制出了 GaN 基蓝光 LED，在此基础上采用 AlGaInN 制作的 LED 光谱覆盖了从近紫外（380nm）到绿光（530nm） 的范围[2]。现在，LED 覆盖了几乎所有可见光的范围。LED 得到了广泛的应用。 GaN 基 LED 器件的发展和主要应用 1993 年，Nichia 公司研发出第一个发光亮度超过 1cd 的高亮度 GaInN/AlGaN 异质结蓝光 LED 后[3]，随着金属有机气相沉积外延技术（MOCVD）的提高，高亮度高功率的 LED 产品相继被开发出来。LED 产品一共有两种，如图 1（a），（b）所示，一种是小管芯 LED，管芯功率在 0.06W 左右，芯片大 小 350μm×350μm ，另一种是大管芯 LED，管芯功率 1-3W，芯片大小 1mm×1mm。近些年，LED 的光效更是从 50~60lm/W，发展到了去年的小功率 LED 最高超过 170lm/W，大有超过现有所有照明产品的光效之势。作为光源，LED 与其它发光光源相比，其具有节能、环保、绿色健康、长寿命等有着非常明显的优势。随着高功率，高亮度 LED 的大量被开发出来，其用途也越来越贴近我们的生活。LED 的主要用途有六大类： 显示：其主要是 LED 显示屏等； 背光源：液晶显示背光源，LED 的节能、环保、长寿、低电压等特性都非常适合液晶背光源的需要； 特种照明：包括手电筒，矿工灯，射灯，圣诞彩灯等； 城市照明；景观照明：路灯、景观用灯等； 汽车用照明：目前以第三煞车灯、车内照明、仪表板灯等为主，但随着亮度、光效等的提升，包括后车灯、牌照灯、后视镜副灯等，甚至前照灯等都已纷纷开始采用 LED； 通用照明：通用照明市场包括各类通用照明灯具、照明光源等，是大功率白光 LED 的最终目标市场，也是规模最大的市场。 中国照明电器行业在近年来得到了快速发展。据权威数据统计显示，2000 年国内照明行业销售总额为 550 亿人民币，2001 年突破 680 亿元，2002 年高达 800 亿元，2003 年达到 950 亿元，在 2004 年突破 1100 亿元，2005 年达到 1400 亿元，连续5 年均以近 20%的速度迅猛递增。另外，中国照明电器产品出口近年来持续增长，年均增幅超过 20％，2004 年全行业出口额达到 66.5 亿美元，远销世界 150 多个国家和地区。 据保守估计，2010 年中国照明市场规模将超过 2200 亿元。如果 LED 占到 10%的份额，就将是 220 亿元的市场规模，对大功率 LED 的需求将达到 15-20 亿颗。 GaN 基 LED 器件的研究现状 现今的 LED 器件发展到现在主要都是在蓝宝石衬底上生长的，随着 MOCVD 技术的成熟以及 LED 器件制备工艺的稳定，蓝宝石衬底的 LED 器件的光效也在逐渐的提高，对于传统结构的 LED 器件，目前国内主流的 LED 产品光效普遍已经达到了 50-70lm/W，即使在现有的已经较为完善的生长水平下，也很难有更大的提高了，这主要由于传统的 LED 器件本身的局限性所带来的。 蓝宝石衬底所带来的结构上的局限性： 我们都知道，现今的 GaN 基材料都是在蓝宝石衬底上生长的，然而，蓝宝石衬底差的导电性和与 GaN 材料的晶格不匹配问题带给了现今流行的 LED 器件很多了不可回避的缺陷。 首先，两种材料高达 13.6%的晶格失配率和不同的热胀系数使得生长在蓝宝石衬底上的 GaN 材料有高达 1010/cm2 的位错密度[4-8]，并且残留了大量的应力在 GaN 外延层中，高的位错密度和应力残存会使器件效率下降的两个非常主要的因素。有源层中的位错，会形成非辐射复合中心，降低器件的内量子效率， 并且穿过量子阱的位错会形成漏电通道，降低器件的注入效率[9，10]。残存在器件内部的应力会使量子阱的能级发生倾斜，使发光波长红移，甚至是同一外延片上的不同地点由于不同的应力残存情况而发光波长不同。 其次，蓝宝石衬底的不导电性使得基于蓝宝石衬底的 LED 器件只能制备成平面结构的 LED 器件，即 P、N 电极在 GaN 外延片的同一表面上，而不能制成垂直结构的 LED。 这样的结构，首先带来的问题就是器件的注入电流不能够得到充分的扩展，因而极大的降低了器件的注入效率。如图 1（c）所