高功率GaN基LED器件的研究现状与发展[1]

　　1、引言

　　自从1962年美国通用电气公司的Holonyak博士发明了世界上第一支发光二极管(LED)[1]以来，使LED发出全部颜色可见光的努力就没有停止过。AlGaInP材料制成的LED可以覆盖从红光（650nm）到黄光（580nm）的范围。1993年，日本的Nakamura解决了p型GaN的掺杂问题，成功研制出了GaN基蓝光LED，在此基础上采用AlGaInN制作的LED光谱覆盖了从近紫外（380nm）到绿光（530nm）的范围[2]。现在，LED覆盖了几乎所有可见光的范围。LED得到了广泛的应用。

　　1.1 GaN基LED器件的发展和主要应用

　　1993年，Nichia公司研发出第一个发光亮度超过1cd的高亮度GaInN/AlGaN异质结蓝光LED后[3]，随着金属有机气相沉积外延技术（MOCVD）的提高，高亮度高功率的LED产品相继被开发出来。LED产品一共有两种，如图1（a），（b）所示，一种是小管芯LED，管芯功率在0.06W左右，芯片大小350μm×350μm，另一种是大管芯LED，管芯功率1-3W，芯片大小1mm×1mm。近些年，LED的光效更是从50~60lm/W，发展到了去年的小功率LED最高超过170lm/W，大有超过现有所有照明产品的光效之势。作为光源，LED与其它发光光源相比，其具有节能、环保、绿色健康、长寿命等有着非常明显的优势。随着高功率，高亮度LED的大量被开发出来，其用途也越来越贴近我们的生活。LED的主要用途有六大类：

　　（1）显示：其主要是LED显示屏等；
　　（2）背光源：液晶显示背光源，LED的节能、环保、长寿、低电压等特性都非常适合液晶背光源的需要；
　　（3）特种照明：包括手电筒，矿工灯，射灯，圣诞彩灯等；
　　（4）城市照明；景观照明：路灯、景观用灯等；
　　（5）汽车用照明：目前以第三煞车灯、车内照明、仪表板灯等为主，但随着亮度、光效等的提升，包括后车灯、牌照灯、后视镜副灯等，甚至前照灯等都已纷纷开始采用LED；
　　（6）通用照明：通用照明市场包括各类通用照明灯具、照明光源等，是大功率白光LED的最终目标市场，也是规模最大的市场。

　　中国照明电器行业在近年来得到了快速发展。据权威数据统计显示，2000年国内照明行业销售总额为550亿人民币，2001年突破680亿元，2002年高达800亿元，2003年达到950亿元，在2004年突破1100亿元，2005年达到1400亿元，连续5年均以近20%的速度迅猛递增。另外，中国照明电器产品出口近年来持续增长，年均增幅超过20％，2004年全行业出口额达到66.5亿美元，远销世界150多个国家和地区。

　　据保守估计，2010年中国照明市场规模将超过2200亿元。如果LED占到10%的份额，就将是220亿元的市场规模，对大功率LED的需求将达到15-20亿颗。

　　1.2 GaN基LED器件的研究现状
　　现今的LED器件发展到现在主要都是在蓝宝石衬底上生长的，随着MOCVD技术的成熟以及LED器件制备工艺的稳定，蓝宝石衬底的LED器件的光效也在逐渐的提高，对于传统结构的LED器件，目前国内主流的LED产品光效普遍已经达到了50-70lm/W，即使在现有的已经较为完善的生长水平下，也很难有更大的提高了，这主要由于传统的LED器件本身的局限性所带来的。

　　（1） 蓝宝石衬底所带来的结构上的局限性：

　　我们都知道，现今的GaN基材料都是在蓝宝石衬底上生长的，然而，蓝宝石衬底差的导电性和与GaN材料的晶格不匹配问题带给了现今流行的LED器件很多了不可回避的缺陷。