照明级大功率led的热特性与可靠性分析

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1、万方数据绪论第一章绪论1．1引言一百多年前，爱迪生发明了白炽灯，是人类照明光源的巨大进步。1938年发明的日光灯可减少热损失，节约了电力能耗，又是一大进步。随后紧凑型日光灯CFL问世，它在市场上应用更为广泛。同时，高压气体放电灯(HID)陆续出现，如水银灯、金属卤素灯和钠灯又相继出现，可在室外实现照明，满足了各方面的需求。近年来，随着材料科学研究的深入以及生产工艺的改进，功率型白光LED的光效逐步提高，已经开始步入通用照明领域IlJ。目前全世界约有22％的电能用于照明，如果能在照明领域节省一半的电能，则会对人类的能源节约做出巨大的贡献，而LED将成为

2、实现这一目标的最好选择。与传统光源白炽灯及荧光灯相比，LED具有体积小、光效高、寿命长、反应速度快、无有害物质等优点。没有白炽灯高耗电、易碎及日光灯废弃物有汞污染等缺点，是被业界看作是替代传统照明器具最有潜力的商品。随着LED技术的持续发展，特别是大功率白光LED的发展，LED固体照明无疑将应用于更广泛的领域。美国能源部曾预测，2013年前后，美国将有55％的白炽灯和荧光灯被LED替代，每年节电价值可达350亿美元，可能形成一个500～1000亿美元的大产业。曾经有人指出，高亮度LED将是人类继爱迪生发明白炽灯泡之后，最伟大的发明之一[2】。正因为L

3、ED技术发展的潜力及优良的特点，面对半导体照明市场的良好前景和巨大诱惑，很多国家及企业对发展LED照明的热情空前高涨并相继制定LED照明发展规划。近年来，美国、日本、欧盟、韩国等相继推出国家半导体照明计划，以加大研究开发力度。比如日本投资50亿日元推行“21世纪光计划”，提出要在几年内用LED大规模替代传统白炽灯；美国能源部在“半导体照明技术蓝图”的基础上，启动一项名为“Next-GenerationLightingInitiate”(NGLI)的计划，即“下一代照明计划”。这项计划提案的目标是要联合产业界、大学和国家重点实验室的力量，加速半导体照明

4、技术的发展和应用。欧盟则委托6个大公司和两所学校，于2000年7月启动了“彩虹计划”，我国台湾也在组织相关计划，设立了由16个科研机构和大学参加的“2l世纪照明光源开发计划”。而我国科技部也曾提出：要以2008年北京奥运会和2010年上海世博会为契机，推动LED在城市景观照明的应用。科技部“国家半导体照明工程”计划于2012年后用LED取代荧光灯。半导体照明是21世纪最引人瞩目的新技术领域的一个焦点，涉及到材料、器件结构、光学设计、封装工艺、电源电路、灯具选用、照明效果与视觉匹配等多技术领域。LED的研发和产业化将成为今后光电子、材料、能源、半导体行

5、业等万方数据2照明级大功率LED的热特性及可靠性研究发展的一个重要方向。深入认识LED固态照明在照明领域中的应用并研究解决其在应用中所遭遇的瓶颈是我们面临的新课题。1．2LED的发展史与应用范围发光二极管(Lightemittingdiode，简称LED)，是一种半导体发光器件。早在1907年，HenryJosephRound在一片金刚砂中发现了电致发光现象，由于材料的限制，发光非常微弱，实验被终止了。到了二十世纪五十年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的LED，该研究迅速产品化并于六十年代面世，尽管这种世界上的

6、第一款商用LED仅仅能发出不可见的红外光，但是迅速应用于感应与光电领域[31。直到上世纪六十年代，科学家和工程人员才制造出第一个真正意义上的可见红光发光二极管，当时的光通量只有0．001lm，工作电流只有几个毫安。之后，随着对砷化镓材料研究的深入，又生产出光效更高、亮度更强的红光LED，LED开始逐步进入特殊照明领域。第一个有历史意义的蓝光LED出现在1993年，当时日亚公司宣布，该公司中村修二博士发明了蓝光LED。作为当今蓝光LED最主要材料的氮化镓，当时最主要的技术难题就是很难找到与之晶格常数相匹配的衬底，这样生长的外延片原子排列就不规则，发光效

7、率无法提升。同时，作为发光二极管中不可缺少的部分P型GaN成长不易。因此在1990年前后，氮化物半导体研究几经周折，甚至当时日亚化学还一度中止了中村修二的研究。技术的突破首先从被称为氮化物之父的名古屋大学的赤崎勇教授开始，他利用MOCVD在低温下生长了氮化铝缓冲层，而后在高温下生长氮化镓。随后，中村修二在1991年利用低温生长非结晶氮化镓缓冲层，再以高温生长氮化镓结晶。1989年，赤崎勇教授利用电子束照射得到P型氮化镓，中村修二直接利用热退火完成P型氮化镓的制作。这样，困扰氮化物半导体的两个重大问题先后被赤崎和中村攻克，从此开创了今天氮化物半导体在白

8、光LED中的核心地位14J。日亚化学也因为中村修二“诺贝尔奖级别”的发明奠定了世界领先地位一1993年首先丌