新型白光led的制备与其性能分析

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1、第1章绪论了新的Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物材料的形成。之后通过改变芯片结构等方法，使的红光AlGaInP基LED的光效超过了50lm/w。到1993年，具有革命意义的双异[11]质结构蓝光LED由日本科学家中村修二在GaN基片上研制出来。1997年日本NiChia公司申请的由GaN基蓝光LED芯片涂覆YAG黄色荧光粉形成白光LED这一国际专利，垄断了白光LED市场，这一行为引起了国际的广泛重视，从此LED进入了白光时代。但是，一开始因为白光LED的光效很低，所以限制其在照明领域的应用。后来，研究人员从提高LED的内量子效率（InternalQuantμmEfficiency）和外量子效率入

2、手，来提高LED的出光效率。提高LED的内量子效率主要是通过改变LED有源层的结构，但是这一方法对于内量子效率的提高空间并不大。因此如何提高LED的外量子效率成为重点。研究人员已[12][13][14,15][16]经开发了透明衬底，异形芯片，表面粗化，倒装芯片等技术来提高LED的出光效率，取得了非常显著的研究成果。进入2000年以后，白光LED的发光效率得到了很大的提高。2014年单颗白光LED在实验室研究阶段的发光效率最高可以达到303lm/w。1.2LED发光原理及基本结构概述1.2.1LED的发光原理LED是由一种电激自发辐射的固态半导体发光电子器件。它是由Ⅲ-Ⅳ族化[17]

3、合物，比如GaAs、GaAsP等半导体材料制备而成的，LED的核心是P-N结，[18]其具有正向导通、反向截止以及击穿特性的伏安特性。[19,20]LED的发光原理可以使用图1.3中PN结的能带结构来解释：在P型和N型半导体之间的接触面（即PN结）上加上正向电压后（P极加正电压，N极加负电压），P区注入N区的空穴和N区注入P区的电子，在PN结附近微米区域内分别与N区的电子和P区的空穴进行复合释放出光子，产生自发辐射的荧[21]光。反之，在PN结上加反向电压时，电子和空穴难以注入，所以不能进行复合，故不发光。3第1章绪论图1.3LED发光原理能带结构示意图LED正常工作状态下，发出的光

4、的明暗程度与流过LED的电流大小有一定[22]的关系。LED的发光颜色与电子和空穴复合时发出的光子的波长有关，而光子的波长由材料的帯隙宽度决定的，关系如下所示：=hc/qE=1240/E（1.1）gg式中E为材料的带隙宽度。g表1.1材料与光色对照表颜色波长材料结构红645-655nmAlGaAs/GaAs橙605-622nmGaAsP/GaP黄585-605nmAlGaInP/GaAs绿555-560nmGaP/GaP蓝455-485nmGaInN/sapphire红外线850-940nmGaAs/GaAs1.2.2LED芯片结构分类及其特点随着LED产业的快速发展，现在已经量产

5、的LED芯片结构有三种：正装、[23]倒装和垂直芯片：（1）正装芯片正装结构的LED芯片是最普通的LED芯片结构，其结构如图1.4所示。该种结构有源层发出的光是经过P-GaN层和透明电极发射出来的。在应用的过程中需要通过焊线来实现LED芯片与外部驱动之间的电连接。虽然此种芯片的结构比较简单，制作工艺也很成熟，但是该种芯片也存在着两个明显的缺点：一4第1章绪论是，由于两个电极都做在芯片的出光面上，电极和焊接点都会吸收部分光，从而降低了芯片的出光效率；二是，在该种结构中，电流必须横向流过n-GaN层，容易导致电流拥挤，局部热量高，加之蓝宝石衬底的导热性能较差，大部分的热量只能通过芯片的焊

6、线散发出去，因此该种结构严重的限制了驱动电流的输入，并严重的阻碍了热量的散失。图1.4正装LED芯片的结构示意图（2）倒装芯片为了解决正装芯片的散热和吸光问题，美国LμmiledsLighting公司于1998[24]年提出倒装芯片（Flipchip）技术。该项技术主要是改变了LED芯片封装结构，即把正装芯片的衬底作为出光面朝上，在电极上制作金属凸点与硅基板键合，实现电气连接，如图1.5所示。首先，在该种技术中硅基板的热导率不高，散热效果不好。其次，金属凸点的制作工艺比较复杂，影响的因素较多。最后，芯片本身还是横向电流结构，电流拥挤的现象并没有得到改善。图1.5倒装芯片的倒装封装结构

7、示意图为了继承上述倒装封装结构的优势，并解决其出现的问题，于是就出现了真正意义上的LED倒装芯片，如图1.6所示。该芯片主要采用打孔技术来制作电极，这样就省去了金属凸点的制作工艺同时改善了横向电流拥挤，电流密度不均匀的现象。同时，增大了电极焊盘的面积，在共晶焊接的过程中，增大了芯片与基座5第1章绪论的接触面积，即增加了散热面积。该种芯片的蓝宝石衬底较厚，因此该结构的倒装芯片具有五个出光面。该种芯片的制作技术多样，具有很大的发展空间。[25]图1.6LED倒