LED芯片应用与照明材料现状解析

提要:上世纪末,半导体照明开始出现并快速发展,其中一个核心前提是蓝光GaN基发光材料的生长和器件结构的制备,而未来材料和器件结构技术的水平也终将决定半导体照明技术的高度。本章节将重点围绕GaN基材料及器件而衍生出设备、源材料、器件设计、芯片技术、芯片应用等环节展开分析。

  在量子阱结构方面,引入电子阻挡层阻挡电子泄露提高发光效率已经成为LED外延结构的常规方法。此外,优化量子阱的势垒和势阱仍将是重要工艺环节,如何调节应力,实现能带裁剪,可以制备不同发光波长的LED。在芯片覆盖层方面,如何提高p型层的材料质量、p型层空穴浓度、导电性能和解决大电流下droop效应仍然是当务之急。

  芯片

  在芯片工艺方面,如何提高光提取效率并得到更好的散热方案成为芯片设计的主旨,并相应研发了垂直结构、表面粗化、光子晶体、倒装结构、薄膜倒装结构(TFFC)、新型透明电极等技术。其中,薄膜倒装结构利用激光剥离、表面粗化等技术,可以较大幅度提高出光效率。

  芯片应用

  针对蓝光LED激发黄色荧光粉的白光LED技术方案较低的荧光转换效率,RGB多芯片白光和单芯片无荧光粉白光成为未来白光LED的主要技术趋势,效率较低的绿光LED则成为RGB多芯片白光的主要限制因素,未来半极性或非极性绿光LED将成为重要的发展趋势。在解决白光LED显色方面,可利用紫光或紫外LED激发RGB三色荧光粉,获得高显色白光LED技术,但必然牺牲一部分效率。目前,紫光或紫外光芯片效率已经获得很大进步,日亚化学公司生产的365nm波长紫外LED外量子效率已经接近50%。未来紫外LED将获得更多应用,且无其它紫外发光体系材料代替,发展前景非常巨大。一些发达国家已纷纷投入大量人力、物力开展UVLED的研究。而氮化物的红光红外光波段应用,除了环境之外,无论是价格还是性能都难以与砷化物竞争,因而前景不是很明朗。

  根据以上阐述可知,围绕半导体照明的上游材料及设备已经获得很大的发展,尤其在效率方面,蓝光波段已经接近理想效率,芯片在半导体照明灯具的价格比也大幅度下降,未来半导体照明将从光的效率向光品质方向发展,这要求芯片材料冲破蓝光领域,同时向长波长和短波长方向发展,而绿光、紫光和紫外光LED芯片将是研究重点。

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