[01224808]高光效绿光LED材料与芯片制造技术

【课题来源与背景】 1. 课题来源 ①国家科技支撑计划 课题名称：硅基高亮绿光LED研发 课题编号：2011BAE32B00 ②国家自然科学重点基金项目 项目名称：有源区内电场对GaN基绿光发光二极管内量子效率影响的研究 项目编号：61334001 ③另外还有,国家重点研发专项、江西省重大研发专项在研 2. 背景 随着全球能源危机以及环境污染的不断加剧,低碳环保引起了世界各国的高度重视。在我国,节能环保是国家“十二五”战略新兴产业之首,而其中的发光二极管（LED）照明更是被确定为节能环保的重要组成部分之一。LED之所以能有如此地位,得益于GaN基功率型蓝光LED发光效率的不断提高。在世界各国逐步淘汰白炽灯的同时,LED已被确立为新一代绿色照明光源。然而,现有的LED照明还很难称得上是真正的固体照明。按照国内一些知名学者和企业家的话来讲,现在的LED灯实际上是“LED荧光灯”,即用LED蓝光加荧光粉合成的白光灯。不可否认,目前的LED灯对LED推广以及照明的发展功不可没,由GaN基LED蓝光加荧光粉合成的白光效率已达到200 lm/W以上（冷白光、在较小的电流密度下）,这一数字已远高于荧光灯的70-80 lm/W以及白炽灯的15 lm/W。在光效方面,LED灯已远远超越了荧光灯;但在色品质方面,LED灯还存在不少问题,比如显色指数不够好,色温与光效之间的矛盾关系等。要从根本上解决LED灯存在的这些问题,白光的组成就需要全部由LED光来混合,如LED红、黄、绿、蓝四基色（甚至五基色、六基色）混成白光。这样做就可以获得发光效率高同时显色指数高、色温低的三好白光LED灯,这才是真正意义上的LED灯,即高品质LED灯。目前蓝光（GaN基）的电光转换效率高达60%以上,红光（AlGaInP基）的也已超过50%,而绿光（GaN基）的不足30%,这就是所谓的“绿光GAP”（ LED黄光效率更低,将是下一个要解决的关键问题）。在绿光LED能真正用于固体照明之前,必须解决“绿光GAP”问题。 【技术原理及性能指标】 1. 技术原理 鉴于绿光“green gap”现象存在,光效低,原因主要是量子阱所受压应力导致量子限制斯塔克效应（QCSE）严重,载流子重叠少从而影响其光效。为此,通过在生长量子阱之前提供一定的张应力来减小量子阱所受的压应力而缓解QCSE现象;同时通过引入V坑改善载流子在量子阱的输运以及限制作用,提高载流子在量子阱中辐射复合几率。 2. 性能指标 创建了一种含限制阱的类三明治有源层结构,提升载流子有效利用率,提高了发光效率,具有单面出光、光束质量高的优点。经国家级第三方专业机构检测,绿光LED,发光波长520nm、电流密度20A/cm2时,光功率效率达46.1%,流明效率达201 lm/W;电流密度2A/cm2时,光功率效率达61.8%,流明效率达312 lm/W。 【技术的创造性与先进性】 1)设计一种包含发光阱和限制阱组合的类三明治结构的多量子阱有源区,通过局部减薄靠近p-GaN一侧发光阱所对应量子垒的厚度,在保证晶体质量的同时也促进载流子在发光阱间交互,提升载流子有效利用率,提高发光效率。 2)揭示了超低工作电流下影响绿光LED发光效率的机理,通过调整结构,提高超低工作电流下的发光效率。 3)设计一款特殊图形的绿光LED芯片,使LED芯片可以照射出特定设计的平面几何图形光斑,可应用到特殊标识器等市场。 【技术的成熟程度、适用范围和安全性】 该技术在材料生长、芯片制造、器件应用等方面进行了系统创新,具有自主知识产权,研究成果在单面出光、光束质量及小电流密度下的光效等方面达到国际领先水平,具有重大推广应用价值。 【应用情况及存在问题】 1. 应用情况 基于绿光LED具有高光效,散热性好,可靠性高,指向性强等特点,在同类产品中,其使用领域大大拓宽,除了常规的舞台照明,景观亮化等之外,还应用于特种微显示市场、国防先进飞机抬头显示器等场合,实现了高端绿光LED芯片国产化,满足了国家重大工程需求。 2. 存在的问题 项目还需进一步扩大产业化,拓宽其应用领域。