照明级LED芯片技术的发展.doc
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1、从2006年8月,科技部启动“十一五”863计划新材料领域“半导体照明工程”重大项目以来,我国LED外延材料、芯片制造、器件封装、荧光粉等方面均已显现具有自主技术产权的单元技术,部分核心技术具有原创性,初步形成了从上游材料、中游芯片制备、下游器件封装及集成应用的比较完整的研发与产业体系。本栏目将陆续介绍863项目的进展,以促进科技成果产业化。半导体照明被誉为第三代照明技术并在世界范围内引起广泛的关注,其核心技术和竞争领域主要是在整个产业链的上游,即外延和芯片。近年来,半导体照明功率型LED芯片技术的研究和开发得到长足的发展,半导体照明也将在未来几年内得到广泛的应用。在所有可实现半导体照明的相关
2、材料中,氮化镓(GaN)基材料是最重要的,也是最有希望真正意义上实现半导体照明的材料。GaN基发光二极管(Light-Emitting Diode, LED)材料与器件是当前研究开发和商业化的重点与热点。国外半导体照明芯片技术的发展现状 目前,Cree、Nichia、Lumileds、Osram等少数几家国外公司是国际上主流的照明级LED芯片及器件制造商,他们具有各自独特的外延和芯片技术路线,各家所生产的芯片产品封装白光器件的发光效率普遍超过100lm/W(见表1)。下面简要地介绍当前各家公司的工艺技术路线和产品现状。美国Cree公司是目前世界上采用SiC作为衬底材料制造蓝光发光二极管用外延片
3、和芯片的专业公司之一,其在不断改善外延品质及提高内量子效率的同时,采用了薄膜(Thin-film)芯片技术大幅度提升产品亮度,薄膜芯片技术即利用衬底转移技术将发光层倒装在Si衬底上,薄膜芯片技术可以有效地解决芯片的散热问题和提高取光效率。Cree公司的功率LED芯片产品EZ系列采用薄膜芯片技术已经达到业界领先的光效水平,据2009年底的报道显示,Cree冷白光LED器件研发水平已经达到186lm/W,这是功率型白光LED有报道以来的最好成绩。日本Nichia公司是世界上最早的半导体白光生产厂商,技术水平始终处于国际领先的地位。在蓝光芯片的技术路线上,Nichia采用图形化蓝宝石衬底外延生长技术
4、结合ITO透明导电层芯片工艺,产品性能表现优越,特别是小功率芯片,最新的报道甚至达到245lm/W的性能指标。Nichia的功率型芯片也是基于正装结构,2008年Nichia公司宣布其功率LED产品光效达到 145lm/W,芯片规格为1mm1mm。德国Osram公司早期的产品是以SiC作为衬底材料,相继推出了ATON和NOTA系列产品。近期,Osram的产品和研发方向也是基于薄膜芯片技术,其最新研发的ThinGaN TOPLED采用蓝宝石作为衬底材料,运用键合、激光剥离、表面微结构化和使用全反射镜等技术途径,芯片出光效率达到75%。据最新的报道,目前,Osram的功率型白光LED光效已经达到1
5、36lm/W。美国Philips Lumileds公司的功率型氮化镓蓝光LED芯片采用蓝宝石作为外延衬底材料,芯片结构上则一直沿用倒装结构。随着薄膜技术的发展,Lumileds创造性地整合了倒装技术和薄膜技术,推出了全新的薄膜倒装芯片(Thin-film Flip-chip,TFFC)技术,集成芯片和封装工艺,最大限度降低热阻并提高取光效率。目前,Lumileds功率型白光的研发水平已经突破140lm/W。美国SemiLEDs公司是继Osram和Cree之后采用衬底转移技术商品化生产薄膜GaN垂直结构LED的厂商。他们推出了新型的金属基板垂直电流激发式发光二极管(Metal VerticalP
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