大功率LED芯片材料研究進展分析小組成員：余楠儀呂品LED簡介大功率LED芯片簡介大功率LED芯片（GaN）研究情況研究目標和結語什么是LED?什么是LED

這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P-N結”。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區，在P區里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發出能量，這就是LED發光的原理。而光的波長（光的顏色），是由形成P-N結材料決定的。LED的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附著在一個支架上，是負極，另一端連接電源的正極，整個晶片被環氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。LED是英文單詞LightEmittingDiode的縮寫，中文意思是發光二極管，是一種能夠將電能轉化為可見光的固態的半導體器件，它可以直接把電轉化為光。

發光二極管的基本結構球透鏡環氧樹脂P層有源層N層發光區(a)正面發光型微透鏡P型限制層有源層波導層N型限制層(b)側面發光型LED發展史1965年，全球第一款商用化發光二極管誕生，它是用鍺材料作成的可發出紅外光的LED。1968年，LED的研發取得了突破性進展，利用氮摻雜工藝使鎵砷磷器件的效率達到了1流明/瓦，并且能夠發出紅光、橙光和黃色光。到了1971年，業界又推出了具有相同效率的磷化鎵綠色芯片LED。80年代早期的重大技術突破是開發出了鋁鎵砷

LED，它能以每瓦10流明的發光效率發紅光1994年，中村修二在氮化鎵基片上研制出了第一只藍色發光二級管從20世紀90年代中期開始，許多廣告、體育和娛樂場所開始應用LED大屏幕顯示。現在白光LED的發光效率已經達到130lm/W，實驗室研究成果甚至可達到300lm/W注：流明即光通量的單位。發光強度為1坎德拉(cd)的點光源，在單位立體角（1球面度）內發出的光通量為“1流明”，英文縮寫(lm)。大功率LED

大功率LED是指擁有大額定工作電流的發光二極管。普通LED功率一般為0.05W、工作電流為20mA，而大功率LED可以達到1W、2W、甚至數十瓦，工作電流可以是幾十毫安到幾百毫安不等。目前大功率白光LED的轉換效率還較低，光通量較小，成本較高，因此決定了大功率白光LED短期內的應用主要是一些特殊領域的照明，中長期目標才是通用照明。制造大功率LED芯片的方法

大尺寸法。通過增大單體LED的有效發光面積和尺寸，促使流經TCL層的電流均勻分布，以達到預期的光通量。但是，簡單地增大發光面積無法解決散熱問題和出光問題，并不能達到預期的光通量和實際應用效果。

矽底板倒裝法。首先制備出適合共晶焊接的大尺寸LED芯片，同時制備出相應尺寸的矽底板，并在矽底板上制作出供共晶焊接用的金導電層及引出導電層（超聲金絲球焊點），再利用共晶焊接設備將大尺寸LED芯片與矽底板焊接在一起。

陶瓷底板倒裝法。先利用LED芯片通用設備制備出具有適合共晶焊接電極結構的大出光面積的LED芯片和相應的陶瓷底板，并在陶瓷底板上制作出共晶焊接導電層及引出導電層，然后利用共晶焊接設備將大尺寸LED芯片與陶瓷底板焊接在一起。

藍寶石襯底過渡法。按照傳統的InGaN（氮化鎵銦）芯片制造方法在藍寶石襯底上生長出PN結后，將藍寶石襯底切除，再連接上傳統的四元材料，制造出上下電極結構的大尺寸藍光LED芯片。

AlGaInN碳化矽（SiC）背面出光法。美國Cree公司是全球唯一采用SiC襯底制造AlGaInN超高亮度LED的廠家，幾年來其生產的AlGaInN/SiCa芯片結構不斷改進，亮度不斷提高。由于P型和N型電極分別位于芯片的底部和頂部，采用單引線鍵合，相容性較好，使用方便，因而成為AlGaInNLED發展的另一主流產品。制作大功率LED材料目前面臨的問題

芯片在大電流注入或升溫過程中會有出現內量子效率（電子轉化為光子的效率）急劇下降。內量子效率則取決于LED的內部多量子阱微觀結構及晶體材料特性和質量,內量子效率的研究是目前LED發光效率研究的切實而有效的突破點。

在各種工藝條件下，材料的損傷變形、應力和缺陷的演變規律以及對器件性能的影響等缺乏深入和系統的研究，使得對大功率LED芯片設計和制造工藝中材料選擇、結構設計、工藝參數控制等進行優化設計缺乏實驗數據的支撐。

目前以GaN基為代表的解決大功率LED芯片上訴問題的研究情況

LED設計領域GaN基三種高效率LED芯片的設計結構，分別是基于雙光子晶體的LED芯片，基于微球模型的LED芯片，基于激光剝離襯底的大功率LED芯片。研究者通過涉及到光子晶體理論，蒙特卡羅理論及激光剝離理論，并在此基礎上提出新的設計結構，給出仿真分析結果。結果證實：雙光子晶體可以提供較完善的反射層，出射層。微球LED

可以利用大尺寸表面結構來大大提高LED芯片的外量子效率。基于激光剝離襯底的大功率LED可以實現較好散熱效果和功率。

溝槽結構LED芯片，研究者研究了同合金選擇及熱處理工藝對p型

GaN歐姆接觸的比接觸電阻的影響，發現500℃退火處理可有效降低比接觸電阻率。對GaN外延層的干法刻蝕進行了較為全面的工藝實驗，確定了適于新型溝槽結構LED芯片制備的刻蝕工藝參數。通過標準LED芯片制備流程制得新結構的LED芯片并對其進行光學電學特性測試，發現該種結構的LED芯片較之普通結構LED芯片在光功率隨注入電流增加而飽和的特性上有明顯優勢。

采用藍寶石襯底上形成的周期性分布的半球形圖形打破GaN材料與藍寶石襯底之間的全反射界面，采用ITO（IndiumTinOxides銦錫金屬氧化物）透明導電薄膜上形成的周期性分布和隨機分布的圓形和六邊形圖形打破p-GaN與ITO透明導電層以及ITO透明導電層與空氣之間的全反射界面，從而顯著的提升

LED芯片光功率。

但是，怎樣正確認識GaN基在大功率LED芯片中起到的作用？GaN基LED芯片從上世紀90年代發展至今，許多的理論和技術仍處于摸索發展中，盡管前面講述有部分研究在LED芯片結構的優化設計中取得了一些研究成果，但GaN基大功率LED芯片仍有諸多問題亟待解決。

在LED芯片的光學建模研究上，當芯片中微結構尺寸與波長處于相同量級時，蒙特卡羅光線追蹤模型就無法準確仿真該芯片的出光現象，還需建立有效的全波電磁場有限元模型，而電磁場模型中需要解決偏微分方程的收斂性及求解效率等問題。

監管有研究表明新型溝槽結構LED芯片在某些特性上較之普通結構LED芯片有所改善，但是跟計算結果仍有差距，應進一步研究該差異產生的原因，并嘗試將該溝槽結構應用于超大尺寸LED芯片的制備。要真正實現大功率高亮度的LED，不能將芯片的設計和制備孤立出來進行研究，而應該對LED外延、芯片、封裝和應用進行協同設計，才能更有效的提高整體LED器件的性能。研究目標

研究表明LED發展的目前的目標主要集中在兩個方面：一是高功率，通過增加單個芯片的尺寸面積達到，或是組合使用大功率單個LED芯片。二是高效率，在內部量子效率無法提高的情況下，盡可能提高外量子效率，是產生的光子有效地輻射出來。所以也就是將大功率LED芯片材料的改進將是發展的主要方向。結語

半導體照明被認為是