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摘要
1994年，日本日亚公司的S.Nakamura提出了GaN蓝光LED的发明技术，1996年，日亚公司利用GaN蓝光LED激发YAG荧光粉获得白光成分。这种白光LED技术拥有省电、节能环保等优势，并且潜在巨大的市场前景，吸引了产业界和学术界极大关注，它被誉为第四代照明光源，引发了一场光源革命。短短十余年间，半导体照明技术日新月异，逐年提高的流明效率使得LED拥有更多的应用领域，LED已经从传统的指示灯逐步走向了背光、照明、显示等应用领域。白光LED技术中最核心的是芯片技术，为了满足高光通量的需求，人们采用各种手段来提高LED的内量子效率和萃取效率，其中MQW结构和工艺的优化是提高LED内量子效率的主要途径，而采用图形蓝宝石衬底技术制备LED是获得高萃取效率LED的一种有效手段。另外，高电流密度下的LED芯片遇到的热问题越来越严重，对白光LED从芯片到封装层面的热管理技术提出了更高的要求。 本文采用Tomas Swan MOCVD系统，在图形蓝宝石衬底上制备高质量LED器件，通过结构设计和优化工艺，我们获得了能够达到产业化水平的LED器件。同时，我们对白光LED从芯片到封装层面的热管理技术进行系统研究，提出了一种热隔离封装结构。全文获得了如下创新和有意义的结果： 1.通过控制生长模式和优化生长工艺，在圆锥形蓝宝石图形衬底(CSPSS)上采用低温缓冲层技术制备了2-6μm厚表面光滑的GaN基板，并解释了图形蓝宝石衬底上的生长机理。XRD测试结果显示，GaN基板(002)与(102)摇摆曲线(Rocking Curve)衍射峰的半峰宽值(FWHM)分别达到了193”和195”；SEM测试结果表明，GaN材料与衬底界面结合紧密，无孔洞。 2.在CSPSS衬底上生长了完整的LED结构并制作成器件，其发光效率比平面蓝宝石衬底上制备的LED提升了109％，并且器件漏电流小于0.1μA。 3.采用高低温生长方法制备MQW，通过改善阱垒的过渡和调节MQW的阱垒宽度，对MQW结构和生长工艺进行优化，优化后未切片的器件测试结果表明其发光波长在450-470 nm之间，波长半波宽FWHM为20 nm，中心发光强度大于800 mcd，各项光电参数达到实用水平。 4.在MQW前引入低组分的n-InGaN应力释放层结构，研究了n-InGaN插入层生长条件和厚度对LED器件性能的影响，优化生长参数后的n-InGaN结构使得LED器件光效提升19％。 5.利用有限元软件建立了白光LED从芯片到系统的热模型，并结合红外测温技术，分析了封装材料、封装方式以及缺陷对白光LED热阻以及温差分布的影响。然后对LED芯片采用倒装焊(flip-chip)封装方式的焊点失效进行系统分析，并提出焊点设计的优化方案。 6.分析了白光LED中荧光粉与芯片的热相互作用，提出了一种热隔离封装结构。热隔离封装方式在注入电流从50 mA增加到800 mA时，色温仅变化253 K，光色稳定性大大优于传统结构，并且它能够在更高的饱和电流下驱动。光色性能的改善得益于热隔离封装结构降低了荧光粉的温度，提高了荧光粉的转化效率。 7.提出了一种基于热隔离封装方式的荧光粉覆膜方法，该方法能够通过LED具体出光分布优化荧光粉膜层形状，避免了传统荧光粉点胶工艺中光色不均匀的现象，并且简单实用，能够用于工业化生产。
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