LED照明的芯粉結(jié)合方案芯粉結(jié)合在LED照明中的應(yīng)用白光照

1、LED照明的芯粉結(jié)合方案芯粉結(jié)合在LED照明中的應(yīng)用白光照明的芯粉技術(shù)白光照明的技術(shù)走勢大連路美*LED照明市場一角(掠影)*芯片可靠性對制備技術(shù)的要求-結(jié)溫*提高白光功率芯片光效的方法（專利保護的電極結(jié)構(gòu)，減小電流擁堵 引入PSS圖形化襯底，提高光的提取效率 專利保護的背反射鏡的優(yōu)化，提高 DBR/ODR/垂直結(jié)構(gòu)*提高芯粉結(jié)合技術(shù)，點亮白光市場（激發(fā)譜、能量傳遞機制、配色方案、熒光粉的光衰）提綱半導(dǎo)體照明的興起由于半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)潛藏著巨大的經(jīng)濟和社會效益，許多國家和地區(qū)紛紛制定了發(fā)展計劃美國“國家半導(dǎo)體照明研究計劃”日本“21世紀(jì)光計劃”韓國“GaN半導(dǎo)體開發(fā)計劃”歐盟“彩虹計劃”我國“國

2、家半導(dǎo)體照明工程”中國臺灣地區(qū)“次世代照明光源開發(fā)計劃” 各國及地區(qū)半導(dǎo)體照明研發(fā)計劃表 （單位：lm/w） 國家/地區(qū) 2002年 2005年 2007年 2008年 2010年 2012年 2020年 美國 2070150200日本 150歐盟 中國臺灣地區(qū) 40韓國 80中國 100150-200歐盟 2003年以來，大功率LED的應(yīng)用逐步推開，價格也隨之大幅降低。以功率為1W的白光LED來對比，2003年單顆價格為5-6美元，到2007年則降到2-3美元，而光效則由30lm/W提升到2007年的70-80lm/W。但對比2007年到現(xiàn)在的1W白光LED單顆價格，目前仍然維持在2-3美元

3、，不同的是光效提升到了80-90lm/W。目前有能力大批量供應(yīng)白光LED功率芯片及LED器件廠商仍局限在Lumileds、Cree、Osram、Nichia以及臺灣的晶電等為數(shù)不多的廠商，伴隨著功率白光LED應(yīng)用的高速增長及其光效的不斷提升，預(yù)計其單顆LED價格不會有過大的降幅。LED照明市場一角(掠影)全球LED市場規(guī)模與增長率 單位：百萬美元 020004000600080001000012000140001600020012002200320042005200620072008200920102011-10%-5%0%5%10%15%20%25%30%規(guī)模增長率手機背光帶動增長手機背光增

4、長放緩新應(yīng)用推動新一波增長在2008年，NB背光源、汽車照明市場、LED路燈等新應(yīng)用將持續(xù)帶動LED產(chǎn)業(yè)成長。預(yù)期在2010年以后，將由半導(dǎo)體照明應(yīng)用為LED帶來另一波成長的契機。 全球白熾燈禁用時間表國家和地區(qū)預(yù)計禁用時間情況介紹預(yù)估替代形式澳大利亞2009年停止生產(chǎn)，最晚在2010年逐步禁止使用傳統(tǒng)的白熾燈。澳洲于2007年2月20日宣布一項計劃，澳洲在2009年開始停止生產(chǎn)這類耗電燈具。最晚在2010年開始逐步禁止使用傳統(tǒng)的白熾燈，將制定相關(guān)鼓勵政策技術(shù)規(guī)定。燈泡狀熒光燈、省電日光燈（CFL）、LED照明燈具、T5熒光燈管、OLED照明等臺灣規(guī)劃2010年開始執(zhí)行白熾燈禁產(chǎn)政策，2012

5、年全面禁產(chǎn)。經(jīng)濟部能源局在行政院產(chǎn)業(yè)科技策略會議中宣布，將在2009年第一季全面淘汰白熾燈泡，改用LED照明，預(yù)計2010年起陸續(xù)停產(chǎn)白熾燈，2012年底將全面停止使用白熾燈泡。日本到2012年止，停止制造并銷售高能耗白熾燈。政府決定到2012年為止，停止制造并銷售高能耗白熾燈泡，東芝照明技術(shù)決定，在2010年之前停產(chǎn)普通白熾燈泡，關(guān)閉全部生產(chǎn)線。今后將以燈泡狀熒光燈和LED照明燈節(jié)能產(chǎn)品取代白熾燈。美國2012年1月到2014年1月。大多數(shù)白熾燈泡將于2014年在美國市場上禁止銷售。2007能源獨立和安全法案（Energy Independence and Security ActH.R.6

6、).該法案規(guī)定，從2012年到2014年間，美國要逐步淘汰40W、60W、75W及100W白熾燈泡，以節(jié)能燈泡取代替換。中國發(fā)改委預(yù)計10年內(nèi)禁用（禁售）白熾燈中國的國家發(fā)展改革委員會已與聯(lián)合國開發(fā)計劃書、全球環(huán)境基金合作共同開展“中國逐步淘汰白熾燈、加快推廣節(jié)能燈專案，支持研究編制中國逐步淘汰白熾燈、加快推廣節(jié)能燈行動計劃。目前，青島市發(fā)改委于日前下發(fā)通知，要求各區(qū)、市政府、各部門，市直各單位各大賓館飯店、商場、寫字樓、學(xué)校、醫(yī)院、大型工廠企業(yè)等大力推廣使用節(jié)能燈，到2010年以前停用白熾燈。歐盟各國 （英國） 歐洲聯(lián)盟9月起禁止銷售100瓦傳統(tǒng)燈泡，2012起禁用所有瓦數(shù)的傳統(tǒng)燈泡。歐盟零

7、售商2008年開始停賣150瓦燈泡，2009年將停賣60瓦燈泡。如：英國零售賣場2009年一開張，就停止100瓦燈泡補貨，自愿停售期到2012年結(jié)束，之后政府會頒罰則，改用省電日光燈（CFL）或LED照明燈具。韓國2013年底前禁止使用白熾燈。南韓第4次能源利用合理化基本計劃決定，將階段性地提高光能源僅占5%，而熱散發(fā)量高達95%的白熾燈的最低能耗效率標(biāo)準(zhǔn)，并在2013年底前予以淘汰。加拿大2012年前禁用白熾燈加拿大自然資源部長加里倫恩2007年4月25日宣布，加拿大定于2012年開始禁止銷售白熾燈。是繼澳洲后第二個宣布將禁用白熾燈的國家。近2-3年半導(dǎo)體照明的重點2007年LED照明產(chǎn)值達

8、48億元，2010年預(yù)計98億元。2009年LED照明滲透率可望有1.5%，比2008年倍增，總產(chǎn)值預(yù)計可達13億美元。路燈2008年中國路燈市場規(guī)模大約1,500萬盞左右，其中LED路燈的裝置數(shù)量大約在50萬盞。2009年中國LED路燈市場的裝置數(shù)量預(yù)計將高達250萬盞左右。 廣東省2年內(nèi)在10個城市實現(xiàn)“千里十萬工程”瓦房店市7萬盞LED路燈，年節(jié)約電費500多萬元濰坊 2萬盞LED路燈天津工業(yè)大學(xué)實現(xiàn)5000盞LED路燈室內(nèi)照明來源LEDinsideLED路燈照明公司主走廊采用LED照明 來源:中國半導(dǎo)體照明網(wǎng)譯3個LED組成的3.6W的功率即相當(dāng)于50 W鹵素?zé)羲?。壽命?萬小時來源

9、:中國半導(dǎo)體照明網(wǎng)譯LED情調(diào)燈2顆紅色、1顆藍(lán)色及1顆綠色LED所組成，可變化出1,677種不同顏色。芯片可靠性對制備技術(shù)的要求*結(jié)溫的測試結(jié)溫的測試采用動態(tài)電學(xué)參數(shù)法, 即利用小電流下LED的正向壓降與溫度成線性關(guān)系:Vf=nKT/q*ln(If/Io) + Rs*If式中: Vf為正向電壓，If為正向電流; Io為反向飽和電流，q為電子電荷; K是玻爾茲曼常數(shù)，Rs是LED內(nèi)阻; n是表征P/N結(jié)完美性的一個參量, 在1-2之間;由Tj=Rj*k*I*V+T環(huán)境 可以得到結(jié)溫式中: Tj 為結(jié)溫, Rj為熱阻, K為光電轉(zhuǎn)換效率, I, V 為電流和電壓 室溫下的結(jié)溫和電流的關(guān)系芯片可靠

10、性對制備技術(shù)的要求*激活能的計算實驗條件：電流： 30mA溫度： 室溫， 55，80芯片大?。?12mil*12mil芯片波長： 460nm芯片可靠性對制備技術(shù)的要求由加速老化的阿雷尼烏斯模型：AF=(IFac/IFop)2*exp(Ea/kb *(1/Tjop-1/Tjac)） (*)其中AF為加速因子，IFac, IFop為加速和正常工作時的電流， Ea為活化能， kb 為玻爾茲曼常數(shù)， Tjop Tjac 為正常工作和加速時的結(jié)溫。(*)可以變化為：ln(AF)=Ea/kb* (1/Tjop-1/Tjac)+2ln(IFac/IFop)將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入可以得到： Ea=0.77eV*激活能

11、的計算芯片可靠性對制備技術(shù)的要求*專利保護的樹枝電極結(jié)構(gòu)-減小電流擁堵-使得注入電流擴展均勻-正負(fù)極的樹枝交錯排列，電流密度分布均勻-正向電壓有效降低，提高了出光效率提高白光功率芯片光效的方法*專利保護的樹枝電極結(jié)構(gòu)提高白光功率芯片光效的方法大功率芯片圖形 提高白光功率芯片光效的方法從圖中可以看出，其樹枝部分是呈現(xiàn)出粗細(xì)變化的，寬大部分為開始的大電流提供了更多的面積來擴散電流，避免造成電流擁堵。當(dāng)電流流向樹枝狀窄端時，電流不斷的由側(cè)枝擴散出去，所以傳輸下去的電流越來越少，因此我們的樹枝狀電極相應(yīng)的也做的越來越窄。因為電極引線采用錐形工藝，導(dǎo)線的電阻增加電流減小。因此與點狀電極相比，沿著電極方向

12、，各處由電極流入導(dǎo)電層的電流更均勻。這再一次促進了沿著p型和n型電極引線方向各處電流的均勻擴散。另外在電極的整體設(shè)計上，理論上已經(jīng)證明了正負(fù)極距離較短的設(shè)計有利于電流能夠更加均勻的擴展，而我們的大功率芯片圖形結(jié)構(gòu)中正負(fù)極的樹枝交錯排列，這使得正負(fù)極距離得到有效的減小，也就使得電流能夠得以更加均勻的分布。再加上其電極呈樹枝狀分布，正向電壓可達3.4V以下。這項成果在我們已獲得的美國專利高功率高亮度發(fā)光二極管及其制法（授權(quán)號：USP6，650，018）中有詳細(xì)敘述。 提高白光芯片光效的方法*專利保護的背反射鏡的優(yōu)化，提高光效-背鍍反射鏡，提高出光效率60%-100%通過制作布拉格反射鏡提高出光效率

13、，即在芯片的背面或者窗口處蒸鍍反射金屬，使有源層向上下兩個方向發(fā)出的光都能夠得到利用，提高出光效率50%-100%氮化鎵基發(fā)光二極管包括透明襯底和用于透射LED產(chǎn)生光的窗口。理論上來講，在有源層發(fā)出的光等幾率地分別從窗口和藍(lán)寶石襯底方向出射，如果利用的是通過窗口發(fā)出的光，那么從有源層發(fā)射向透明襯底的光大部分會損失；同樣地，如果利用的是通過襯底發(fā)出的光，那么從有源層發(fā)射向窗口的光大部分會損失。所以我們需要一個分布布拉格反射鏡，如果利用由窗口發(fā)出的光，反射鏡直接形成于襯底背面；而如果利用透過襯底的光，反射鏡直接形成于窗口的發(fā)光部分。即分布布拉格反射鏡可以形成于襯底背面或窗口表面，光提取率可增加50

14、-100%。我們所說的分布布拉格反射鏡也可以采用反射率比較好的銀或鋁等金屬，示意圖見圖7。另外，這些反射層也可以使用那些可以提供更多散熱優(yōu)點的材料，以提高其散熱的能力。這項技術(shù)在我們已獲得的美國專利透明襯底發(fā)光二極管（授權(quán)號：USP6，643，304）中有詳細(xì)敘述。如圖7所示，其中包括：藍(lán)寶石襯底101；緩沖區(qū)102；GaN替代的襯底層103；N型GaN層104；活性區(qū)106；P型GaN層107；窗口層108和109；N電極105；P接觸層110和111；分布布拉格反射鏡112和212。5、 提高白光芯片光效的方法1091081071061041031021011121091101111051

15、09108107106104103102101212109110111105專利保護的背反射鏡的示意圖 提高白光芯片光效的方法分布布拉格反射鏡技術(shù)示意圖（美國授權(quán)號：USP6，643，304）如圖9所示，其中包括：藍(lán)寶石襯底101；緩沖區(qū)102；GaN替代的襯底層103；N型GaN層104；活性區(qū)106；P型GaN層107；窗口層108和109；N電極105；P接觸層110和111；分布布拉格反射鏡112和212。提高芯粉結(jié)合技術(shù)點亮白光市場*激發(fā)光譜用于白光LED的發(fā)光材料主要有四大類，而YAG發(fā)光材料以其轉(zhuǎn)化效率高成為制作白光LED最成熟的主流技術(shù)路線。 石榴石結(jié)構(gòu)的稀土摻雜的復(fù)合氧化物發(fā)

16、光材料，如YAG和TAG； 硅酸鹽基質(zhì)發(fā)光材料： 硅氧氮化合物發(fā)光材料； 硫化物或硫代氧酸鹽發(fā)光材料； （部分）激發(fā)熒光體使其發(fā)出黃光LED發(fā)出藍(lán)光 （透鏡）復(fù)合成白光 （部分）剩余藍(lán)光1-PC-LED(B+Y)藍(lán)光（460）芯片YAG:Ce熒光體（560，黃光）光譜 YAG:Ce材料改進 YAG:Ce層厚改變的發(fā)射光譜變化（藍(lán)光芯片） 固體發(fā)光過程 激 發(fā) 吸 收 發(fā) 光能量轉(zhuǎn)換能量輸運能量傳遞*能量傳遞機制激發(fā)能量轉(zhuǎn)移發(fā)射敏化劑激活劑能量傳遞過程示意圖能量傳遞機制-能量傳遞，是激發(fā)態(tài)兩個中心之間的能量轉(zhuǎn)移過程。-燈用發(fā)光材料的能量傳遞過程大體有兩種，共振能量 傳遞和輻射再吸收過程。-輻射再吸收過程是光子發(fā)射后再被吸收。-激發(fā)能量從一個激發(fā)中心（能量的給與體）傳遞給另一個臨近的未被激發(fā)的中心（能量接受體），主要通過量子機械共振實現(xiàn)。-共振傳遞包括三種情況：多級相互作用、交換作用和聲子能量協(xié)助傳遞。前兩種情況指能量給與體發(fā)射光譜與能量接受體激發(fā)光譜有部分重疊。第三種情況是能量給與體和能量接受體光譜之間不能很好地滿足共振條件時產(chǎn)生的。 發(fā)光材料主要由基質(zhì)、激活劑構(gòu)成 稀土離子既可作基質(zhì)組分又可做激活劑。用做基質(zhì)組分：Y3+, Sc3+, La3+,Gd3+, Lu3+用做激活劑： Ce3+,P