高亮度GaN基蓝光与白光LED的研究和进展

GaN基蓝光LED高亮度化对传统照明光源带来了很大冲击。简述了GaN材料和GaN基蓝光LED器件结构的发展,阐述了为了改善LED性能的一些新措施、LED在照明光源上的应用优势,给出了白光LED的常用制备方法以及最新的研究成果。最后,提出了需要着重解决的问题。

低蓝光的白光LED制备与评价指标修正

基于GaN基蓝光LED激发荧光粉制备的白光LED已取得广泛应用,然而,照明光源中蓝光成分对人体健康、昼夜节律的影响逐渐受到关注。针对蓝光伤害问题,提出了修正后的蓝光危害占比指数(B_(mr)),以更合理地评估白光光源的蓝光危害指标;针对夜间照明用白光LED对人体昼夜节律的影响,使用商用蓝/紫光LED系统研究了激发波长、以及荧光粉种类和配比对暖白光LED的健康、护眼指标的影响。研究发现,基于410 nm波长紫光LED制备的暖白光LED光源的B_(mr)和褪黑素敏感区间光功率占比指数(M_(r))分别仅为4.2%和9.2%,接近于卤素灯的水平,显著优于商用高品质暖白光LED,为夜间低蓝光舒适护眼、低褪黑素干扰的健康照明提供了新选择。

4-inch蓝宝石图形衬底上GaN基白光LED制备及表征

在4-inch蓝宝石图形衬底上,基于InGaN/GaN多量子阱结构制备了蓝光LED芯片,并通过与钇铝石榴石黄色荧光粉(YAG∶Ce3+)结合,封装成白光LED器件。简要介绍了外延生长和芯片工艺及封装流程,并对材料特性及器件性能进行了表征。外延片表面形貌良好,蓝光外延片荧光光谱(PL)显示峰值波长为442 nm。对封装后白光芯片进行电学特性测试,得出其开启与限流电压分别为2.7 V与3.6 V。此外,电致发光光谱(EL)含有两个主要的发光峰,分别是440 nm的蓝光峰以及540 nm的黄绿光峰,而随着注入电流的增加,蓝光峰位先蓝移后红移,黄绿光峰位先红移后蓝移再红移。本文中相关的芯片制备及表征技术将对固态照明研究起到一定的促进作用。

GaN基白光LED的结温测量

用正向电压法、管脚法和蓝白比法等三种方法测量GaN基白光LED的结温,获得了较为准确的结温,误差可以控制在4℃以内。正向电压法在恒定电流的条件下,得到了正向电压与结温的线性关系;蓝白比法在不同环境温度和不同注入电流两种情况下,都得到了蓝白比与结温较好的线性关系。提出了蓝白比法可能的物理机制,提高环境温度和增大注入电流都会使结温升高,蓝光峰值波长也会改变,这两个因素都会影响荧光粉的激发和发光效率。降低结温需要考虑的主要因素有白光LED的接触电阻、串联电阻和外量子效率,封装材料的热导率,反射杯和管脚的设计,以及空气散热部分的散热面积等。

Si衬底GaN基蓝光LED老化性能

报道了芯片尺寸为500μm×500μm硅衬底GaN基蓝光LED在常温下经1000h加速老化后的电学和发光性能,其光功率随老化时间的变化分先升后降两个阶段;老化后的反向漏电流和正向小电压下的电流均有明显的增加;老化后器件的外量子效率(EQE)比老化前低;老化前后EQE衰减幅度在不同的注入电流下存在明显差异,衰减幅度最小处出现在发光效率最高时对应的电流密度区间。

可被蓝光激发的白光LED用红色荧光粉材料体系与发光性能研究

综述并讨论了目前研究的可被蓝光LED芯片有效激发且具有宽发射带的红色荧光粉,可以得出:白光LED用红色荧光粉主要包括碱土金属硫化物、新型氮化物及硅酸盐等,这些红色荧光粉均可被460nm蓝光激发,并具有宽发射光谱的特点。同时着重分析了其晶体结构与荧光性能之间的联系,并探讨了高显色指数和色温可调的白光LED用红色荧光粉下一步的研究方向与应用趋势。

SiN钝化膜对Si衬底GaN基蓝光LED性能影响

利用等离子辅助化学气相沉积(PECVD)系统在垂直结构Si衬底GaN基蓝光LED芯片上生长了SiN钝化膜,并对长有钝化膜及未作钝化处理的LED在不同条件下进行了老化实验,首次研究了SiN钝化膜对垂直结构Si衬底GaN基蓝光LED可靠性的影响。实验发现:经过30mA、85℃、24h条件老化后,未作钝化处理的Si衬底GaN基蓝光LED的平均光衰为11.41%,而长有SiN钝化膜的LED平均光衰为6.06%,SiN钝化膜有效地改善了LED在各种老化条件下的光衰,另外,SiN钝化膜缓解了Si衬底GaN基蓝光LED老化过程中反向电压(Vr)的下降,但对老化后LED的抗静电击穿能力(ESD)没有明显的影响。

蓝光激发红色荧光粉的研究进展及其在白光LED中的应用

蓝光LED芯片激发黄色荧光粉是目前白光LED的主要实现方式,引入红色荧光粉对调整白光LED的显色指数及色温有重要意义。重点介绍和评述了可被蓝光激发且具有宽发射带的硫化物、氮化物、铝酸盐等几种体系红色荧光粉的发光性质、最新研究成果及在白光LED中的应用。对比发现,氮化物荧光粉可被从近紫外到可见绿光有效激发,随基质组成的不同,可发出峰值波长为600～650nm的红色荧光,且由于其优良的化学稳定性、热稳定性成为最有前途的一类红色荧光粉。采用两种以上的荧光粉代替单一黄色荧光粉,有利于调整白光LED的色温,提高显色指数。

静电对Si衬底GaN基蓝光LED老化寿命的影响

对几组本工程中心研制的S i衬底GaN基蓝光二极管(LED)施加了不同静电击打后,分别在30、50和70mA的驱动电流下进行了老化实验对比,施加静电电压分别为0、100、500和1 000 V。研究对比了1 000 V范围内的静电对S i衬底上GaN基蓝光LED老化寿命的影响,并对相关实验现象进行了分析。结果表明在1000V范围内施加不同的静电对其寿命没有明显的影响。

蓝光LED和GaN PD集成芯片双向照明通信性能研究

针对LED照明通信集成芯片的应用,设计了一种包括蓝光LED和GaN PD的双向通信集成芯片。工作时蓝光和紫外光形成两路光通信。集成芯片的小尺寸可使LED照明通信减少一半的灯珠数量以利于缩小系统体积。对集成芯片采用串口通信协议和开关键控(OOK)调制解调装置进行单向、双向通信测试及分析。实验结果显示,集成芯片实现单向照明通信时,紫外通信误码率在10-6以下,在双向通信且蓝光LED电流密度不大于2.8mA/mm2时,紫外通信误码率在10-3以下。

GaN基蓝光LED关键技术进展

以高亮度GaN基蓝光LED为核心的半导体照明技术对照明领域带来了很大的冲击,并成为目前全球半导体领域研究和投资的热点。本文首先综述了GaN基材料的基本特性,分析了GaN基蓝光LED制程的关键技术如金属有机物气相外延,P型掺杂,欧姆接触,刻蚀工艺,芯片切割技术,介绍了目前各项技术的工艺现状,最后指出了需要改进的问题,展望了末来的研究方向。

GaN蓝光LED电极接触电阻的优化

通过分析LED的工作电压和晶圆上两相邻N电极间电阻来讨论快速退火(RTA)和表面处理对GaN基蓝光LED接触电极的影响。研究了p-GaN表面处理对Ni/Au与p-GaN接触电阻的影响。结果表明,用KOH清洗p-GaN表面比用HCl清洗更能有效地改善Ni/Au与p-GaN的接触电阻。讨论了在氧和氮混合气氛下两种退火温度对P电极接触电阻的影响,当退火温度从570℃升到620℃时接触电阻升高。研究了氮气氛下不同退火温度和时间对LED电极接触的影响,发现在480℃下连续退火对N接触有利,但却使P接触变差,而450℃、10 min的氮气氛退火能同时得到较好P接触和N接触。

刻蚀深度对Si衬底GaN基蓝光LED性能的影响

在Si衬底上生长了GaN基LED外延材料,将其转移到新的硅基板上,制备了垂直结构蓝光LED芯片.本文研究了这种芯片在不同n层刻蚀深度情况下的光电特性.在切割成单个芯片之前,对尺寸为200μm×200μm的芯片分别通高达500mA的大电流在测试台上加速老化.结果表明:刻蚀深度为0.8和1.2μm的芯片相对于刻蚀深度为0.5μm的芯片,其正向电压更低且光强衰减更慢,抗静电性能随老化时间变得更稳定;刻蚀深度为0.8μm的芯片抗静电性能强于刻蚀深度为1.2μm的芯片.

影响GaN基蓝光LED能带结构与光谱特性关系的仿真研究

本文采用Silvaco TCAD软件对GaN基InGaN/GaN量子阱蓝光发光二极管(LED)的光谱特性进行了仿真研究。研究结果表明:光谱会随着注入电压的增加而产生蓝移现象,并出现0.365μm处的紫外光发光峰;发光效率在正向电流较小时增长很快,随着正向电流进一步增加而逐渐趋于饱和;随着量子阱中In组分和量子阱阱层厚度的增加,发光光谱出现红移现象,并且发光效率下降。仿真结果对GaN基InGaN/GaN量子阱结构蓝光LED的设计和优化提供一定的依据。

GaN基白光LED温度特性实验研究

实验研究了恒流驱动条件下,GaN基白光LED的正向电压、发光光谱和发光效率随环境温度的变化情况。结果表明,在输入电流恒定的情况下,随着温度的升高,结电压和发光强度与温度具有良好的线性关系,并且GaN基白光LED的发光颜色总是向蓝光漂移,而小电流驱动时比大电流驱动时蓝光漂移更明显。根据实验结果,分析了器件的最佳额定工作电流。

利用C-V法研究GaN基蓝光LED的多量子阱结构

利用C-V测量法研究了GaN基高亮度蓝光发光二极管的InGaN/GaN多量子阱结构(MQWs),通过样品的C-V曲线及对应的杂质浓度分布曲线得出MQWs的结构特性.实验结果表明:MQWs为5个周期的InGaN/GaN多量子阱.室温下InGaN阱层的平均阱宽为2.00 nm,阱层的平均杂质浓度为7.12×1018 cm^-3,GaN垒层的平均垒宽为12.32 nm,垒层的平均杂质浓度为0.82×1018 cm^-3.温度降低,InGaN阱宽变窄,杂质浓度增大,而GaN垒宽变宽,杂质浓度降低.

白光LED的加速老化特性

对两组GaN基白光发光二极管(LED)进行了对比温度加速老化实验,环境温度分别是80,100℃。随着老化温度的升高,电流-电压(I-V)曲线的隧道电流段、扩散电流段以及反向漏电电流均增加,而串联电阻段则变化较小,这是位错密度升高和金属杂质沿着螺旋位错聚集及移动的结果;电容-电压(C-V)曲线中反向偏压下电容减少,正向偏压下电容增大,这是由于螺位错和混合位错产生了漏电的通道;电致发光光谱中黄光荧光成分比重增加;光通量随时间开始缓慢降低,在某一个时刻突然急剧降低,显示各个老化因素累积的影响会在某一时刻导致白光LED突然失效。最后使用阿列纽斯关系计算出所用白光LED的寿命为2.3万小时。

GAN蓝光LED正装小芯片和功率型芯片

项目概况 我们应用的各种灯具中有80％～90％的电力转化为为热能被白白消耗掉。白光大功率LED是冷光源，节电。白光大功率LED发光效率高，可达到白炽灯的10倍，日光灯的两倍，它是绿色光源，不像日光灯在制作过程中需要使用汞等对人体有害的物质。

白光LED的光生物安全性

随着蓝光激发荧光粉转换白光LED在照明领域的商业化应用不断扩展,其光生物安全问题逐渐成为了照明领域专家和公众间的热点话题。综述了可见光中的蓝光波段对人体视网膜与昼夜节律可能产生的危害影响及其作用机理,对比分析了LED与传统照明灯具的功率分布光谱和蓝光危害评估。色温可以作为一个对光源蓝光危害和对褪黑素分泌水平的影响进行有效评估的参数,对不同类型白光光源的对比分析结果表明,在相同的色温与照度下,白光LED对人体并不产生更加严重的蓝光危害。最后简要介绍了目前照明行业所采用光源生物安全性认证标准,市面上符合评级标准要求的照明白光LED不会对人体造成蓝光危害。