LED产业技术及研究进展

刘红超

（上海得倍电子技术有限公司，上海 201203）

0 引言

1907年，Round[1]年报道在SiC上发现了LED。而后，经过大量科技人员不懈的研究和探索，尤其是因中村修二在蓝光LED上的杰出工作[2,3]，目前，LED已经越来越深入到我们的日常生活中：交通信号灯、广告牌大屏幕、五光十色的楼宇装饰、各大城市亮化工程……无不在大量地使用着 LED，北京奥运会、上海世博会、广州亚运会等更是LED的综合展示舞台。单是上海世博会园区内使用的LED，就超过了14亿颗。如今，作为节能环保的第4代光源，LED越来越受到各国政府的青睐与支持。

LED光源得到迅速的推广，主要是因其七大独特的优点。

1) 能效高：LED芯片自身发光效率已经达到180 lm/W。加州大学中村小组设定的目标是2013年达到230 lm/W，其理论效率则可以达260 lm/W。而现在钨丝灯泡的发光效率只有15 lm/W，荧光灯则一般在70 lm/W至110 lm/W之间。

2) 环保无毒：目前广泛使用的荧光灯含有汞蒸汽。这不仅在制造环节中给生产线工人造成人身伤害，更为严重的是使用者如果处置不当也会中毒，对环境尤其是地下水更是造成了不可逆转的污染。而LED是全固态形式，没有不可控污染。

3) 寿命长：LED理论寿命可以达到100000小时，而一般钨丝灯泡只有1000小时，荧光灯也不超过5000小时。显然，推广使用LED不但可节约大量的材料，而且也可大幅度地降低维修成本。

4)可靠性高：LED是基于半导体PN结发光的固体发光器件，不像钨丝灯泡或荧光灯那样需要真空或者玻璃密封，在使用过程中不易损坏。

5) 体积小：LED芯片的面积一般只有几或几十平方毫米。体积小使得光源可以放置在任意地方，而不像体积庞大的传统钨丝灯、荧光灯及各种气体发光灯，对环境等有着较为严苛的要求。

6) 可控性：在生产过程中，不但可以通过调整外延片组分适当地调整单芯片LED的颜色，而且也可通过控制驱动电流来调节LED灯具的亮度、颜色。因此，人们可以依照环境或自身的要求任意地设定LED灯具的亮度、颜色。

7) 冷发光：LED发出的光不含红外辐射，而全部为指向性可用光。这使得LED的可用光效率较传统光源高。

正是由于存在以上这些特点，使得LED越来越受到人们的重视。在石化能源越来越枯竭的时代，LED巨大的节能效应，更是受到各国政府以及国际组织的推崇。研究表明，目前照明能源占总能源消耗的22 %左右。全球照明工具效率每提高1 %，每年可以节约能源20亿美元。据美国能源部报告“THE PROMISE OF SOLID STATE LIGHTING FOR GENERAL ILLUMINATION”，在2000到2020年期间，使用LED使美国节约760 GW电力，减少2.58亿吨碳排放，少建1000 MW规模电厂133个，共计节约1.15千亿美元，全球则可节约500亿美元。没有任何一项电器用品能起到如此巨大的节能效果。美国政府期望到2025年，半导体照明将占照明市场的50 %，每年因此可减少数亿吨的碳排放。为此，各国政府都投入了大量资金，支持、鼓励LED产业链相关技术的研究开发，如中国有“十城万盏”计划，韩国政府则制定计划在2015年之前，将首尔所有照明灯具都升级成LED。未来，随着LED效率的提高、量产规模的扩大及其带来的成本下降，LED将走进每一个家庭。

本文先介绍了LED工作原理，然后从整个LED产业链的角度，介绍了LED芯片的衬底材料、外延生长、芯片制造、封装、白光LED所用荧光粉以及驱动电源等。本文还讨论了如何通过创新设计、优化材料和工艺，来达到以最低的制造成本、最少的能量输入，得到更高效率、更长寿命的 LED，并介绍了相关技术的研究和发展。

1 LED工作原理

上世纪60年代诞生了首只GaAsP红色LED。30多年后，以氮化物为代表的蓝色、绿色LED取得了历史性的突破，LED三基色完备的发光体系得以形成。这些光源是人类历史上成本最低廉、最为实用的纯净光源，为我们日常生活的彩色照明提供了无限的可能性。简单地说，LED发光是基于半导体材料中电子与空穴复合，处于价带中的电子被外加电场激发到导带后，自身原来位置留下一个表现为正性的电荷空穴。处于导带中高能态电子如果跃迁回价带，与空穴复合，这时电子所携带的多余能量需要释放出来。如果该多余能量是以电子与晶格相关作用而释放即产生声子，就会产生热；如果该多余能量是以光子形式释放，就产生了光。光子能量即为两个位置间的能量差，决定了光波波长，如图1所示。

图1 LED发光原理Fig.1 Principle of LED

根据量子力学原理，光子辐射需要保持动量守恒。在直接带隙材料中，最低导带和最高价带处于同一个动量空间，这时电子空穴复合不需要借助动量转换，速度快，效率高；而在间接带隙材料中，最低导带和最高价带处于不同的动量空间，这时电子空穴复合需要先进行动量转换，即借助晶格振动转换电子所需的动量空间，该复合会产生声子即热，电子空穴产生光子的复合速度慢，效率低。实际应用中，价带中带有正电性空穴的材料就是P型半导体，导带中带有自由电子的材料就是N型材料。基于该发光原理，可设计成如图2所示的发光器件，此即LED，其结构主要为一个PN结。

图2 LED器件结构Fig.2 Device structure of LED

该器件工作原理如下：在PN两边施加正向电压情况下，多数载流子（P型材料中的空穴，N型材料中的电子）跨过PN结的耗尽层，成为少数载流子。随着少数载流子的不断注入，其浓度不断增高，在其扩散过程中与多数载流子复合，不断地发出光线。但是，除了产生光的复合以外，其他复合过程并不产生光子，而是产生声子，即产生热；材料中晶格缺陷的存在也会增加这些非辐射型复合所产生的几率。产生光和热的几率可以通过量子力学计算，这也就决定了LED的发光效率。这个效率被称之为内量子效率（internal quantum efficiency），即跨过PN结的多数载流子主要是电子有多少转化为光子。根据LED的原理，要形成一个有效发光器件有六个条件。

1) 该半导体材料能通过掺杂形成足够浓度空穴及电子的稳定P型与N型材料。如硅(Si)、锗(Ge)等通过掺杂磷(P)、砷(As)、锑(Sb)，GaN, GaP, GaAs通过掺杂铟(In)等形成 N 型半导体；Si掺杂硼(B)，GaN, GaP, GaAs等掺杂铝(Al)等形成P型半导体。

2) 发出光子的电子空穴复合过程要尽可能地多。这首先要求直接用带隙半导体而不是间接带隙半导体材料来组成LED发光器件。Si是最常用的半导体材料，但是因为它是间接带隙，如果用它作为发光器件，其发光效率就比较低；而GaN等就是直接带隙材料，发光效率就比较高。结构上将发光活性PN层做成多重量子阱（MQW, Multi-Quantum-Wee）以便提高电子空穴的复合几率。

3) 能不断地激发电子或空穴的产生。这需要外加场（主要是外加电场）能有效地加在器件PN结两边；通过在PN结两端加上导电材料即电极来实现。

4) 发出的光能有效地导出来，也就是要求PN及其组成器件的其他材料能让光线有合适的出射窗口，并对所引出的光线透明，尤其是电极材料，如采用ITO等。

5) 能让电流通过时产生的热能有效地散发出去，以防止对半导体器件的能级正常分布造成显著影响，影响器件的正常工作，如波长发生改变等。这需要材料具有良好的导热性能。

6) 如果要发出可见光，则要求组成PN结半导体材料，其带隙能量对应的光波波长应在可见光范围之内，或者所发光（如紫外光）能有效地转换为可见光。可见光范围为4000 A到7000 A，其对应能量范围为1.8～ 3.1 eV，带隙能量要在这个范围内。如果带隙大于3 eV，就需要通过波长转换才能用作可见光。

根据以上要求，典型LED器件如图3所示。为了获得低缺陷密度的半导体材料，通常采用外延（Epitaxy，简称Epi）方法在晶体衬底材料上生长出晶体缺陷密度低的LED器件层，通过光刻（lithography）、刻蚀（etching）、溅射（sputtering）等半导体生产工艺得到一定的器件形状和构造，并形成良好的电接触膜，这就是LED芯片（chip）。同时为了保护LED芯片免受外界损伤，并很好地导入电，导出发出光，还需要对芯片进行封装。如前所述，LED在工作时，还会发热，需要考虑散热，尤其是在大功率LED封装时需要考虑散热。另外，LED所用化合物材料还对静电特别敏感，所以要对其加入静电保护器件，如TVS管等，以防止静电对LED芯片造成伤害。

图3 封装好的LED器件剖面（基于飞利浦产品）Fig.3 Schematic structure of assembled LED

早期LED器件主要是以GaAs或GaP为主的红光器件，发光效率比较低。为了使LED能高效地发出其他颜色的可见光，如蓝光和绿光等，人们进行了不懈的努力。直到20世纪90年代，在Assaki解决了GaN系LED发光器件P型掺杂问题[4]，以及被誉为“蓝光之父”的中村修二引入缓冲层解决了异质外延生长问题和采用基于蓝色LED加黄色荧光粉以获得白光的突破性进展以后[2,3]，人们才看到了LED在日常照明中应用的希望，也带来了LED产业的繁荣。在照明应用中，除了采用合适的LED器件外，还需要提供能够满足 LED恒定电流工作要求的电驱动器件（LED driver）；同时通过光学设计，加入透镜等光学部件，将指向性非常强的LED光进行重新分布，以满足用光环境要求。因此，LED的产业链划分为以下环节：衬底、外延、芯片、封装、 LED驱动及灯具。各环节所涉及到的关键材料如图4所示。目前，LED在照明方面应用以替代传统照明工具为主，灯具设计方面有成熟技术可以借用。以下将主要介绍照明应用的LED所涉及的衬底(substrate)、外延(epi)、芯片(chip)、封装(assembly)、LED驱动(driver)等环节的最新技术进展及研究发展动向。

图4 LED产业链Fig.4 Supply Chain of LED

2 衬底材料

衬底材料是为了降低在其上生长的LED薄膜器件的晶体缺陷密度的一个载体，其选择最主要考虑因素是其晶格常数与LED器件所用材料的匹配性，包括晶格常数和热膨胀系数，两者越接近就越有可能生长出好的LED器件，反之，其内生缺陷密度就不能降低。如果在后续封装工艺中，衬底材料不剥离，还要考虑其光学和热学性能，即有良好的透光性，与外延材料接近的热膨胀系数和导热性能。当然，成本也是一个最重要的考虑因素。目前，工业应用中，LED的主要衬底材料有以下几种：蓝宝石(Sapphire)、SiC晶体、Si单晶。另外，红光LED主要采用GaP和GaAs作为衬底，非常成熟。这几种材料主要物理性质如表1所示[5]。

表1 LED衬底材料主要物理性质Tab.1 Major physical parameters of LED substrates

2.1 蓝宝石

蓝宝石即Al2O3的一种三角晶系结晶形态，价格合适，透光性好。但它一开始并不是最佳的LED衬底，主要是由于其晶格常数（4.765 Å ）和GaN的晶格常数（3.2Å 左右，在外延中要加入Al和In对GaN进行掺杂改性，以期得到合适的禁带宽度及导电性）相差50 %左右。这就意味着，如果直接在其上生长GaN薄膜，就会导致晶体缺陷密度高，严重影响产品的质量性能。早在20世纪80年代，Yoshida等就开始采用在蓝宝石上引入AlN包裹层，以缓解GaN与蓝宝石间巨大的晶格系数差别所带来的应力，同时也有助于缓解二者之间因热膨胀系数不一样带来的可靠性问题，所得外延层结晶性能和发光效率有了较大提高[6]。但直到中村修二等改进外延设备，在生长活性外延层前，先生长AlN外延作为缓冲层（buffer layer），同时解决P型掺杂问题后，才使得基于蓝宝石衬底生产蓝光LED的技术得到质的飞跃，让人们看到了LED在照明中应用的希望[2,3]。现在，蓝宝石成为被最广泛采用的LED衬底材料，占到工业用LED衬底的90 %，亚洲及欧洲主流厂家都采用其作为衬底材料，如Lumileds, Osram, 日亚等。虽然生产中，主流尺寸仍然是2”，但是在更大尺寸上进行规模生产仍是工业界的努力方向。现在最先进的生产技术开始采用6”蓝宝石作为衬底材料，如Lumileds等公司。Monocrystal能提供的最大尺寸可以到10”，但是用于LED实际生产需要设备材料工艺配合，还有很长一段路要走。

在工业界努力扩大蓝宝石衬底可生产尺寸的同时，学术界也在研究如何提高基于蓝宝石衬底材料 LED的发光效率。研究工作重点集中在改变蓝宝石衬底的表面形状，从而提高出光率。Yamada等发现在有图形蓝宝石衬底(PSS, Patterned Sapphire susbtrate)上生长紫外和蓝色LED，能显著地提高出光效率，结果显示外量子效率可以提高到34.9 %[7]。Chang等比较了在常规衬底以及PSS上生长的LED亮度，发现有图形衬底能提高35 %，同时发现PSS上LED可靠性也较高。他们将原因归结为生长在有图形衬底上GaN外延的位错密度较小[8]。Lee等采用湿法腐蚀得到规则{1-102}晶面显露PSS，发现PSS的LED输出功率为常规LED的1.15倍[9]，间接地证明了缺陷密度的降低。Yan等发现在蓝宝石衬底上进行纳米刻槽有助于吸收位错，可以降低GaN外延层位错密度，与常规衬底相比，器件性能可改善46 %[10]。Yang等通过模拟和实验证实衬底材料厚度对LED的出光效率有着明显的影响，同时也通过实验表明蓝宝石底面规则图形也能增强LED出光[11]。Jhin采用离子注入方法，在衬底上形成不同N+浓度区域，也有助于后续外延生长中位错密度的降低，出光量提高了78 %[12]。Chen等通过光刻方法在衬底上形成纳米级图形（nano-patterned sapphire susbtrate），其上外延质量得到了较大的提高，输出光功率也提高了1.3倍，但是在外延与衬底界面也会形成一些空洞，这对器件散热可能会造成影响[13]。Oh等采用光刻和反应离子刻蚀方法，在蓝宝石衬底上形成不同间距的微透镜，发现LED器件漏电电流随着微透镜间距增大而减少，间距为5 um时，LED输出功率可增大到通常的155%[14]。

2.2 SiC

SiC在商业化LED衬底领域市场占有率处于第二位。最早的LED现象就是在SiC上发现的。由于SiC自身为间接带隙材料，发光效率不可能很高，但却可以作为衬底材料。如表1所示，SiC衬底较Al2O3有许多优点，如与GaN基材料晶格系数失配小，导热性能好，因此其在高功率LED生产中表现独树一帜。SiC衬底优异的导电和导热性能，使得LED器件不需要像Al2O3衬底器件那样采用倒装焊技术，而采用上下电极结构，就能比较好地解决功率型氮化鎵LED器件的散热问题。目前效率最高的高功率LED（180 lm/W）就是基于SiC衬底。但是SiC晶体成本高，主要为美国Cree公司所采用，并拥有大量专利，使得其他公司进入这个领域的门槛极高，因此，事实上形成了Cree公司在SiC基LED方面的垄断地位。

无论是将SiC作为器件本身还是作为衬底材料，最大的难点是得到高结晶质量的SiC晶体。SiC不仅生长温度高，而且还有多种结晶形态，如立方体和六方体等，六方体还有很多种多形体，所以要在高温下对晶体生长进行很好的控制，以得到结晶质量高、微管 (micropipe) 少的6H-SiC。这是一项非常有挑战性的工作。美国Cree公司不仅首先获得了大尺寸6H-SiC晶体[15,16]，而且在GaN外延生长及器件上都有巨大优势[17,18]，在这方面处于绝对领先地位。Yeo等还尝试直接生长非极性的面SiC晶体。他们通过PVT方法，生长出了2”的m面和a面质量较好的非极性SiC晶体[19]。

在SiC基LED材料中有两个值得关注的研究动向。一是为解决荧光粉的显色性以及提高转换效率而采用SiC中激发载流子与施主受主对（Donor-and-Acceptor pairs）复合作为紫外光LED荧光材料[20]，这样就有可能在 LED芯片生产过程直接实现白色 LED，而不需要在封装过程中额外添加荧光粉，可以降低 LED生产成本。该方法是通过在SiC中引入N-B和N-Al施受主能级，受紫外光激发产生的载流子就有可能在掺杂引入的施主或受主能级复合，发光波长范围能较好地覆盖可见光范围，从而得到演色性很好的白光。另一个是采用直SiC作为LED器件。众所周知，SiC是间接带隙材料，不适合做LED器件，但是目前GaN基LED存在绿色鸿沟（Green Gap），即绿光LED效率非常低，这就使得SiC基作为绿光LED候选材料成为可能。SiC基LED结构简单，不需要像GaN基材料那样需要多层结构，导热性好。Sachin等[21]利用激光辅助掺杂方法，得到了P-I-N LED器件。Yang等[22]通过n-SnO2纳米棒在4H结晶P型SiC上形成LED器件。Shih等[23]则通过原子层积方法得到n-ZnO/i-ZnO/p-SiC LED，其发光波长位于紫外光范围。另外，还有很多研究还尝试过依靠无定形SiC制造薄膜LED[24-29]。

2.3 Si衬底

Si单晶是在半导体行业广泛使用的基础晶体材料，其晶体生长技术成熟，结晶质量高，成本极低。然而，与蓝宝石衬底一样，Si晶格常数和GaN基材料相差很大，达到50 %以上，这就意味着要得到高结晶质量的GaN外延层非常不容易。国内外很多知名机构包括欧洲IMEC，国内南昌大学（晶能光电）都投入了很大精力以期在单晶硅上生长GaN LED器件。Hasegawa等在单晶硅衬底上采用液滴外延（droplet-epitaxy）自组织形成GaAs岛，并以此作为活性区域制作了LED器件[30]。Chuong等采用MOCVD方法在Si衬底上得到晶格缺陷密度较低的蓝光LED[31]。 Kikuchi等在Si上得到了一种柱式结构LED器件，其波长可从绿光到红光[32]。Fujikawa等还在Si衬底上实现了深紫外LED，其波长可到280 nm DUV范围[33]。Wakui等则用分子束外延方法不仅得到GaN蓝光LED，而且集成了微冷却通道Si基冷却装置[34]，这也为在GaN LED器件中集成Si控制器、MEMS等器件提供了可能。 Sawaki等采用区域选择性外延方法，在Si衬底上生长出性能良好半极性（semi-polar）的GaN LED[35]。

这方面最为引人注目的是以江风益教授为带头人的南昌大学（晶能光电）团队，在基于单晶Si衬底上生长GaN LED器件方面取得了非常不错的成绩[36]。同时他们也将研究成果成功地转化到工业生产中，形成了一大批具有自主知识产权的产品。但是，相较于蓝宝石衬底以及SiC衬底，在Si衬底上要实现大功率LED稳定量产还需要更多的努力。

2.4 GaN衬底

对于GaN基LED而言，最好选择采用GaN晶体作为其同质衬底材料，这样可以避免异质结外延所带来的晶格缺陷，从而提高LED器件的可靠性与发光效率。但是GaN在高温下易分解，难于熔化（目前只能在6 GPa压力、 2200 ℃以上的氮气氛围中液化），因此，氮化镓单晶材料的生长极为困难。目前得到 GaN 单晶片最为有效的方法都是通过气相沉积方法在衬底材料上使其长到一定厚度，通过激光剥离，然后以此为底材通过外延方法得到厚GaN单晶片。这种方法生长速度慢，成品率低，因而成本非常高，还不能用于工业规模生产。目前研究GaN晶体生长的工作非常多，可参见文献[37]。找到一种低成本生长GaN晶体生长技术，对LED产业有着非常重要意义。如采用GaN材料作为衬底生长外延，所得到的LED器件光效等得到大幅提高。Nishida等在GaN上实现了大功率高效率紫外LED，内量子效率超过80 %[38-39]。

2.5 其他衬底材料

其他衬底材料包括ZnO, ZnS和LiAlO2。这些材料的一个最大优点就是其晶格常数与GaN基外延材料晶格常数非常接近，可以实现低缺陷密度的外延生长，但其共同弱点是在高温下易分解，不易控制外延生长气氛。目前前两者主要作为量子点器件研究比较多。LiAlO2生长温度低，加工容易，而且尤为重要的是可以在其上比较容易地生长非极性GaN外延层，同时还可以作为生长GaN晶体的衬底材料。Waltereit为克服GaN内自发极化电场对LED性能的影响，首先在四方LiAlO2上实现了非极化面GaN外延生长，为提高LED发光效率提供了可能[40]。邹军等取得了结晶质量良好的ɣ-LiAlO2晶体[41]，Chou等采用Czochralski方法生长了LiAlO2，并得到以此作为衬底材料生长的非极性面GaN基LED[42]。Xie等研究了在γ-LiAlO2上生长非极性m面GaN基LED结构和光学性能，外延表面粗糙度得到很大改善[43]。Huang等研究了在LiAlO2衬底上实现m面GaN基LED器件，发现外延层中缺陷密度降低，光偏振也表现出各向异性[44]。Zhang等模拟了生长在LiAlO2上非极性m面GaN所发光偏振度及其对能级的影响，晶格常数差别而导致的不完整对称导致了晶体各项异性，实验得到偏振度为60 %绿光，验证了理论模拟的结果[45]。国外对基于该材料LED生产技术研究得比较少，其专利主要为新进入者拥有，因而比较受到国内重视，如国内南京大学、上海光机所等科研单位投入了很多精力。但是要将该技术真正应用到工业生产中，形成具有自主知识产权的产业链，还需要国内企业更多的参与才能做到。

3 外延

外延是LED器件核心：增加LED发光所需要的PN活性层多重量子阱结构，消除外延材料和衬底材料间晶格失配所带来的应力，以及为提高出光效率所做出的主要努力都集中在这一环节，其典型结构如图 5所示。从图中可以看到，外延材料是由多层不同组分的材料构成，包括缓冲层、电流限制层、波导层、多重量子阱结构层、电接触层等。它们分别起着缓冲应力、导光、PN结复合发光以及电流导入等作用，其中MQW层是不同组分厚度只有几个纳米的多层薄膜结构，要求单层厚度一致，化学组分分布均匀。这对外延过程控制及设备提出了非常高的要求。外延生长过程中所涉及到温度场、气流控制直接影响所得到LED芯片中局部成分和厚度的均一性，从而影响波长、工作电压以及发光效率[46,47]。图6显示了材料组分对发光波长的影响。虽然有多种方法进行外延生长，如精密的原子沉积法（ALD）和快速的PECVD等，但考虑到生产效率、所得外延质量等因素，目前最为常用的方法还是MOCVD方法。GaN基外延晶体生长采用高温CVD，温度要高达1600 ℃，这对反应炉满足层流要求的设计、气流均匀性控制都有着非常高的要求。导入缓冲层与异质结器件结构有助于降低生长温度。现在InGaN反应温度已能降低至700 ℃，AlGaN则需要1100℃，但同时对整个反应器特别是温度控制提出了更高的要求。为了使气流能更好地得到控制，一般都采用双气流注入设计[48]。工业化生产还要求高效率、良好的均一性和可重复性、易于操控性。这些对 MOCVD设计生产提出了非常高的要求。目前主要的反应器供应商为Aixtron和Vecco[49]。

图5 一个典型LED芯片TEM图像Fig.5 A typical cross-section of LED chip

图6 AlInGaN基LED中成分对波长的影响Fig.6 The relationship between composition and wavelength of AlInGaN LED

研究外延层主要还是为了提高出光效率。目前主要有以下两种方法。一是生长非极化面外延材料，可以避免材料内在极化电场存在时引入晶格缺陷及其带来的缺陷复合，从而可以增大有效光复合几率，提高LED器件内量子效率。中村修二加州大学研究小组在生长非极性面和半极性面LED外延方面作了相当多的工作，取得了令人瞩目的结果。他们研究了在GaN衬底上生长非极性GaN a面和m面外延LED器件，发现外延密度缺陷降低，能大大提高LED发光效率，外量子效率可以达到45.4 %，并且有助于降低Intensity droop效应（LED发光效率随着电流密度增加而降低的现象）[50,51]；Chang等也证实了非极性m面GaN LED Droop较低，光线偏正化较强，可达68%[52]。Saito等突破性地实现了在a面3寸蓝宝石衬底上生长了m面GaN基LED，并取得了毫瓦级功率输出[53]。Wetzel等尝试通过生长非极性外延材料解决绿色LED发光效率较低的问题。他们通过比较极化面和非极化面LED性能看到，非极化面LED发光波长随电流增大几乎不发生变化。这表明LED波长随电流变化可能是由于内部极化电场相关。这为解决所谓绿色鸿沟提供了机会[54]。二是通过控制生长过程缺陷、晶体取向等控制，降低外延层缺陷，从而提高LED输出功率。Lo等展示了通过选择性阻断办法实现低缺陷密度外延，这样得到的LED器件，其输出功率提高了45%[55]。Fraijtag等发现外延与衬底界面处空洞可以起到吸收外延生长过程中位错和缺陷的作用，通过在蓝宝石和外延界面有目的地制造空洞，可以得到缺陷密度降低100倍的GaN外延，如图7所示。这为大幅提高基于蓝宝石衬底的LED效率提供了可能[56]。Ou等也研究了SiC晶体取向对GaN外延中位错密度的影响，发现沿[112-0]方向偏2.3度得到的外延缺陷密度最低[57]。

图7 GaN外延中空洞大大降低了缺陷密度，左边为一般方法，右边有空洞Fig.7 The void in the epi-layer reducing defect density, left is normal GaN, right is GaN with void

4 LED芯片（Chip）

在有了LED外延后，还要加上电源，才能成为可使用器件。LED外延片通过光刻、薄膜、刻蚀等生产工艺后，形成了LED芯片。这一步骤主要功能是：加上电极材料形成电接触，让MQW所发出的光尽可能地发出来。电极材料应该对光导出所产生的负影响最小。这就要求它尽可能对所发出的光透明，如采用ITO或者非常薄的金属膜等。这些都是成熟半导体生产工艺。但是GaN基材料的折射系数比较大，全反射角度也比较大。这意味有相当一部分光导不出来。这就需要对芯片表面进行改进，以增加光的出射机会。Fujii等首先报导了通过粗化LED器件表面，可以大大提高LED出光效率。他们将表面制成小拱顶形，如图8所示，这样通过芯片顶部出的光量可提高4倍[58,59]。Huang等发现通过对器件表面进行纳米级粗化，芯片出光增加了1.4倍，20 mA电流的驱动电压从3.65 V降低到3.5 V，串联电阻降低了20 %。这些不仅提高了出光效率，也使整个器件能源利用率得以大幅提高[60]。King等使用激光全息技术，在LED芯片表面形成二维结构光子晶体，发现LED光输出功率将近加倍[61]。Jang等通过在表面结构导入光子晶体的方法，将光效提高了25 %[62]。LEE等通过干法刻蚀方法，在LED n型半导体面上形成不同形状的表面纹理，发现光的输出效率从37 %提高到45 %，主要原因是侧壁散射增加，发射损失减少[63]。另外通过将芯片刻蚀成有助于出光的形状，如图9所示，引入全向反射层[64,65]（omnidirectional reflector ODR）与电流限制层等措施，以及将厚衬底材料剥离，转移到高反射面硅衬底上，也能提高光输出效率。Wong等采用激光liftoff方法将LED发光器件层从蓝宝石衬底剥离，然后转移到Si支撑衬底上，最后在丙酮中剥离出LED薄膜器件，其器件特性与发光性能都没有改变[66]。现在这些方法已经在实际生产中应用，用于提高LED出光效率。

图8 通过改变LED芯片上表面结构，可以提高出光率Fig.8 Improved LED light extraction efficiency by texturing surface

图9 采用不同芯片形状，引入不同结构层，LED出光率得到提高Fig.9 The extraction efficiency in various forms of LED chip

4.1 白色LED芯片

有多种可能途径可在同一LED芯片上得到不同发光波长以实现单一的白色LED芯片，但目前都还处在研发阶段。

一种比较简单也比较容易理解的方法，是叠加不同波长的MQW以形成多色的LED。Damilano发现InxGa1-xN (x = 0.15～0.2)/GaN MQW (MQWs)的厚度增加时，LED的发光波长从蓝到黄变化，为单一芯片实现白光提供了可能，并制备了色温为8000 K的准白光器件[67]。Ozden通过两层MQW中插入一个p++/n++InGaN/GaN 隧道效应结的方法实现了单一芯片发出黄光和蓝光的LED，证实了在单一芯片上实现白光是可能的[68]。Chen等采用叠层方法，即在一种波长MQW上叠加生长另一种波长MQW而得到准白色单一芯片的LED[69]。Zhang仅通过改变量子阱中 InGaN 层的厚度就能使发射的光波长从470 nm改变到504 nm，而铟浓度变化能将发射光波长在400 nm～470 nm范围内发生改变[70]。Qi等采用叠层方法，得到绿蓝双波长LED[71]。Chen等在对应于蓝绿波长MQW单芯片LED上面，再裹上CdSe-ZnS纳米晶体，以便得到由三基色组成的白光。但是，在这种LED中，其蓝绿光强度比例会随着电流的变化而发生变化，从而导致最终LED波长不稳定[72]。沈光地等研究了通过MOCVD获得单一芯片蓝绿双波长LED方法[73]。Damilano在单一芯片内通过构造不同组分的(Ga,In)N/GaN MQW来发出蓝光和黄光，从而得到了白光LED[74]。

值得关注的是，Wang等通过控制MQW下面的InGaN层厚度，发现在特定厚度下，活性层中量子阱结构中局部铟浓度富集区域与非富集区域等得到了较好的控制。这样所得到的LED器件能同时发出黄光(563 nm)和蓝光（443 nm)，其相对强度不会随电流大小而变化，光衰也较蓝光加荧光粉所得到的白色LED器件大幅减少，从而简单可靠地得到单一芯片的LED白光器件。这里控制InGaN层的厚度非常关键。如果该技术能证明可以用于大规模生产，必将大大简化LED生产工艺，降低成本，提高器件可靠性。这对LED芯片行业有着非常重要的意义[75,76]。

实现单芯片白光LED的第二种方法是在芯片生产过程中引入稀土等元素。这样除了半导体自身发光以外，这些短波长光还能被稀土元素所吸收，从而激发荧光，而不同波长的光子复合发出白光。与采用外置荧光材料不一样的是，这里稀土元素在GaN外延生长时原位被引入半导体材料晶格内，作为掺杂元素出现。这方面研究颇受关注[77-80]。

单芯片白光LED还可以通过量子点器件实现。量子局限效应（quantum confinement effect）可以用来调节发光器件波长[81]。Kishino通过自组织方法在蓝宝石和Si衬底上合成了GaN基纳米柱，不仅观察到发光效率的提高，而且发现LED发光波长并没有随着电流密度的变化而发生改变[82]。Lin等通过自组装方法得到无应力GaN纳米棒作为InGaN生长基板，通过控制这些颗粒组分、位置和厚度，成功地实现了自然白光LED器件[83]。这方面的更多进展可以参见文献[84]。

4.2 其他材料LED

ZnO与 GaN晶体结构相同，晶格失配度非常小，禁带宽度接近，接触势垒小。但是，ZnO作为 GaN外延衬底的致命弱点是在GaN外延生长温度气氛中容易分解腐蚀。同时，ZnO本身也可以作为LED发光材料，直接带隙，禁带宽度为3.37 eV，可用于紫外光波段的LED[85]。ZnO材料的生长非常安全，国外专利较少，因此，国内研究ZnO基LED材料比较多。Jiao等通过分子束外延方法在蓝宝石上得到PN结ZnO基LED发光器件，但随着温度升高，器件性能明显变差[86]。Xu等通过MOCVD方法在n型ZnO体材料上生长P型ZnO膜，得到了同质结LED，空穴浓度为1016～1017 cm−3，迁移率1～10 cm2V−1S−1[87]。但这些工作都不足以证实ZnO的工业化前途。日本早期在ZnSe方面的研究比较多[88,89]，包括ZnS晶体生长和ZnS基LED器件，但因其发光效率低，可靠性差，寿命较短而放弃。受制于成本和供应链等因素，这些材料即使将来能工业化生产，也可能只能用于一些特殊市场。

5 封装

在得到LED芯片后，还不能直接用于实际应用。这是因为：1) LED芯片特别小，一般在几个平方毫米，甚至更小，直接使用不方便；2) LED芯片需要适当导线与外界连接，以便加电；3) LED需要保护，芯片很脆弱，容易受外力损伤而损坏表面甚至遭到破坏；GaN基LED芯片也特别容易被静电损坏，需要对它进行静电保护；4) LED芯片所发出的热能要及时散发，以便芯片能正常工作；5) 一般LED芯片发出的光都是单色光，如果要得到复合光谱或者是白光，就需要将多种颜色的芯片组合在一起，或者是在封装中引入荧光粉；6) LED芯片发光指向性很强，容易使人眩晕，因此还需要对光进行重新分配。由于上述各原因，需要对芯片进行封装。

LED封装首先要解决散热问题。LED照明应用要求的功率越来越高，单个LED从初期几十毫瓦，到现在几瓦；但是随着功率不断提高，工作时温度变高了，LED变得更热了。LED PN结中电子空穴复合，多余能量以光子形式发出，这个过程并不产生热量。但外加电能条件下，这些复合并不都是以光子形式发出，电子空穴复合以及迁移运动中碰撞还会以声子(phonon)的形式发出。这些声子在微观上表现为晶格振动，宏观参数就是温度。另外，LED发出的光并不能 100 %被导出，这一部分光也会变成热量。实际上，只有不到30 %的输入电功率被转化为光，其余70 %以上变成热量。如表2所示，LED所产生的热量，与其他发光器件不同，90 %需要通过热传导散发出去。这就对LED传导散热提出了很高的要求。这些热量如果不及时散发，将会严重影响LED PN结工作，使LED输出光变少，光波长发生偏移，严重的还会影响LED的可靠性和寿命。现有芯片封装都是基于集成电路封装技术，虽然对散热给予了很多考虑，但毕竟集成电路封装中发热不是最主要的考虑因素。后来，又有了很多改善LED散热的方法，比如在封装好的LED外加热沉、进行两级封装等，但工艺复杂，成本高。同时这些方法并没有很好地解决芯片与支架间、支架和电路板之间、电路板与外基板之间、外基板与外热沉之间存在着的热阻问题。在任何一个环节，如果热量得不到及时的散发，都会使LED芯片温度升高，影响其性能。

表2 不同光源的能量转换效率Tab.2 The energy converting efficiency of various light sources

影响LED使用的另一个不利因素是LED芯片抗瞬态电冲击能力较弱。随着LED工作电压越来越低，如用于白光LED GaN芯片的电压从原来接近4 V到现在3.3 V，其抗静电能力越来越弱。由于这类芯片属静电敏感器件，因此，在其生产和使用过程中，如果没有良好的静电防护措施或者防护措施不当，都可能造成LED芯片不可修复性的损坏。在使用LED的过程中，还可能受到来自电源等浪涌电流的冲击，在室外使用时，还可能会导入雷电。这些因素瞬间能放出上十瓦级甚至更高能量的电信号，造成LED损毁，影响其可靠性及寿命。

LED封装主要结构部件为：基板、支架、瞬态电压保护（transient voltage suppressor, TVS）芯片、LED芯片、连接线、胶体。基板为双层或多层结构，其主要功能为散热。基板绝缘表面为光滑表面，提高 LED杂散光反射，充分利用LED发出的光。支架为良好的导热导电材料，制成预设好的形状。这些形状要考虑到芯片的承载。芯片间的连接方式包括并联、串联、串并混合等方式，同时要从材料物理的角度考虑芯片与连接线之间良好的结合性。支架是LED芯片和TVS芯片的承载体，可以预置在基板上，减少LED芯片与基板间的热阻。LED的封装结构如图3所示。

LED封装形式主要包括插件式（through-hole）、表贴式（SMT，surface-mounting）和倒装式（filp-chip）。早期LED一般大多采用草帽灯形式的插件式，突出灯头起到透镜作用，现在这种方式用于小功率封装。表贴式是目前主流的封装形式，适用于各种功率封装。在高功率LED封装时，还可以在其下方方便地安装比较大的散热片，在其上安装透镜，构成不同级别的封装，如图10所示。为了适应更高功率LED的封装，高端集成电路里采用的倒装技术被应用到LED封装中。在这种封装中，电流不是通过金导线而是通过Au或其他合金电镀球柱而引入。这些球柱被直接焊到PCB基板上，光在电极背面导出。这样既可以极大地增强热传导性能，又能减少电引线对出光的影响，提高LED的出光效率[90]。实验数据表明，在采用倒装LED后，出光效率可以提高1.6倍，蓝光LED外量子效率提高21 %，电能利用效率提高20 %[91]。在倒装技术中如果进一步采用薄型芯片，LED的亮度相对于通常的倒装技术还要提高一倍[92,93]。

图10 LED不同封装级别，一级封装为LED基本封装， 二级封装加散热片，三级封装在二级封装上加透镜及散热板Fig.10 Different levels of LED assembly, Level 1 chip assembly, Level 2 with heat sink, Level 3 with Lens and heat sink

对LED封装研究的重点还是通过引入新材料、减少界面或增强界面间传热能力等方法来改善整个封装传热能力。Wang等采用直接在AlN或AI2O3基板上镀铜的方法，获得支架与基板间良好的接触，其界面热阻大为减少[94]。石墨和CVD法生长的钻石膜具有优良的导热性能，可以大幅提高LED封装散热。在热沉上涂覆钻石样薄膜层，可以将封装温度降低10度以上[95]，也能大幅降低LED芯片温度，提高器件的可靠性[96]。Li等采用联苯二硫醇(BPDT) 作为助剂，得到了折射系数为1.64的新型透明封装树脂，光输出效率提高了14 %[97]。

特别值得关注的是石墨烯在LED中的应用[98]。台湾工研院支持在LED中应用石墨烯（graphene），包括基于石墨烯的LED器件，采用石墨烯作为电极材料和导热材料等。Lee尝试在ZnO上包裹石墨烯，然后在其上生长GaN薄膜，并制成了LED器件。这种LED发光强度高，并且因为石墨烯为层装物质，其上LED器件容易被转移到其他衬底材料上，以满足不同器件需求[99]。Jo等采用CVD方法生长多层石墨烯作为GaN LED透明电极材料，与传统LED器件相比，其效率有了明显的提高[100]。LEE基于柱状GaAs超晶格和石墨烯实现了LED器件，在其器件中被金属膜包裹着的石墨烯仍然有极好的光学透明性，作为柱状超晶格电极，退火后与GaAs有非常好的电接触，从而实现了较大面积的LED器件[101]。

如前所述，得到白光的途径主要有三种：通过不同颜色LED混色，单色LED激发不同波长荧光粉以及上文中提到的单一白色LED芯片。不同LED的混色需要将不同波长的LED组合在一起，如在LED显示屏中，通过RGB三种LED不同亮度组合实现包括白色在内的全彩色系显示，但是其成本高，且其中绿色LED的发光效率比较低。最常用的方法是采用蓝色LED芯片激发黄色荧光粉（磷光），实际应用中一般在封装时候引入荧光粉，这样得到的LED芯片看起来就直接发白光了。荧光粉中关键的是稀土元素。由于稀土元素独特的电子层结构[Xe](4f)n(5s)2(5p)6(n = 1,…,14)，其可能的对应着不同光波长的能级跃迁非常丰富，所以包含稀土元素的物质是极好的荧光候选材料。基于稀土材料的荧光粉最早是由 Philips公司开发的，用以替代早期卤素磷酸盐系荧光材料。20世纪90年代中期，当时还在日本日亚公司工作的中村修二采用基于铈掺杂镱铝石榴石（cerium doped yttrium，aluminum garnet，Y3Al5O12:Ce，YAG:Ce）荧光粉和蓝光LED实现了白光。这种方法生产效率高，成本低廉，技术成熟，成为白光LED的绝对主流。目前很多公司都在稀土基荧光粉上申请了专利，如以OSRAM为主的公司采用以TAG (terbium aluminum garnet, Tb3Al5O12，TAG， 铽铝石榴石)为主体的荧光粉，光谱特性较YAG好，有红色发光，显色性高，但成本较高。除了YAG及TAG基材料外，硅基氮(氧)化物荧光转换材料也非常具有竞争优势。该系材料不仅具有热、化学稳定性，还有色系丰富、高荧光转换效率和高显色性等特点，最高显色指数可达95[102-105]，目前已经由日本电气化学公司开始商品化。

我国是稀土资源极其丰富的国家，LED又是新一代发光光源，因此，国内很多科研院所都投入了很多精力研究稀土基荧光材料。目前其主要的研究目标是提高转换效率，使显色性高、衰减弱、寿命长[106，107]，取得了不错的进展[108]，尤其是在红光荧光粉方面，效果较好[109,110]。

量子点器件独特的发光性能也可以用来作为荧光物质。Chen等采用含有 CdSe–ZnSe核壳结构量子点胶体作为荧光物质，其波长在510 nm到620 nm的范围，加上InGaN蓝光LED，可以得到显色性在91的白光[111]，Shen则采用CdSe/ZnS/CdS双层壳结构量子点，提高荧光量子效率至45 %，依据量子点不同尺寸，发射光谱范围从490 nm到610 nm，LED显色系数也达到91[112]。 美国Nexxus Lighting 以及QD Vision已开始将这一技术商业化。

6 LED驱动

相较于传统照明器件，LED对电源有着不同的需求，这是由LED器件4 个电特性所决定的。

1) LED是低压直流器件。单一LED器件工作电压从红色LED 2 V左右，到蓝色3.4 V左右，最高的紫外LED也不过3.8 V左右。如果工作电压控制得不好，超过LED的最大工作电压，就会造成LED不可逆损毁。在照明应用中，单一LED器件功率较小，需要对LED进行串并联处理，这样就对LED工作电压提出了多种要求。由于市电是高压交流电，一般需要对市电进行整流降压处理。

2) LED是电流型器件，其发光强度与电流直接相关。在工作电压附近，电流和电压关系是非线性的，极小的工作电压变化会导致电流较大的变化，而因为 MOCVD生产过程中带来的厚度以及浓度不均匀性，会造成同一批次乃至同一芯片内LED工作电压的差别。实验数据表明，同一批次LED在工作电压相同的条件下，其输出光强度会相差30 %以上。

3) LED亮度随PN温度升高而下降，较大的电流会加速PN温度升高。它像所有PN结一样，遵守PN结负温度特性，也就是说，PN结温度越高，其内部电阻越小，如果在恒定电压下工作，其流过PN结的电流就越大。在LED器件上表现为其正向电流随温度升高而下降，光输出亦会随温度升高而下降。不同的LED，其下降程度差别很大。工作温度变化还会造成LED寿命降低。

4) LED波长会随电流变化而发生偏移。如图11所示，蓝色LED波长随工作电流变化，发光波长会随着电流升高而发生蓝移，波长变得更短了。在红光和黄光LED中，这种电流引起波长偏移的现象更为明显，在实际应用中会造成照明显示应用中的色差。

因此，为了LED安全可靠地工作，在背光、照明、显示等方面的应用，都需要采用恒流电源方式驱动。在低压领域，LED驱动技术比较成熟，无论是升压型还是降压型驱动，其电源效率可达90 %以上。这些技术广泛地应用在背光照明、显示驱动、低压照明以及装饰等领域。但是，要大规模推广应用LED照明，就必须采用家庭用交流高压电作为供电电源，因此LED照明器具要符合家用电器电源标准要求，如美国能源之星2.0版本中对LED的电源转换效率、待机功耗、电磁干扰（FCC 47 CFR Part 15）、安全性、可靠性等都有基本要求。对电源转换功率，美国也提出要求，如要求功率因素家用大于 0.70，商业用大于 0.90，更要求与舞台灯光控制等现有照明系统控制器兼容。在西方发达国家，还要求和家庭常用的可控硅调光器兼容[113]。

图11 LED发光中心波长随电流变化Fig.11 The change wavelength with the current in LED

在LED照明灯具的应用中，交流驱动控制的瓶颈作用仅次于散热。为了消除高压转低压带来的纹波，一般都采用大容量电解储能来提高大功率LED驱动的功率因素并降低谐波，而电解电容寿命受其中电解液限制，一般不超过1万小时，这就大大限制了LED照明系统的使用寿命。因此，很多研究与公司的开发都集中于怎样降低交流LED照明驱动对电解电容的依赖[114]。日本Takion于2009年推出一款集成电路，可以采用陶瓷电容代替电解电容，用于驱动20 W以下的LED照明器件。中国大陆包括上海得倍电子技术有限公司也都计划推出不依赖电解电容的LED交流驱动。

7 结语

作为第四代节能环保的发光源，LED在建筑内外光环境装饰、超大屏幕显示、LCD背光照明等方面的主体地位已不可动摇。随着其发光效率的提高和成本的下降，LED在通用照明领域也将越来越被广泛使用。同时，它在使用过程中的高效节能、无污染物质释放等，更具有传统光源所不具备的优势。作为新一代光源，下列特点还将显示其作为第四代光源的独特性。

1)易于控制性：LED发光亮度可以随着电流大小无级调节，而且响应及时。因此，结合适当的光电传感器，可用模拟或数字方法做到按需智能调光。

2)发光体体积特别小：这就意味着光源可以放置到任何想要放置的地方，这将给创新灯具设计及光环境设计提供了可能。

3) 多彩性：LED生产过程可以按需要确定发光体波长。这不仅能从LED得到白色光，而且发光颜色可按照意愿调节，以适应不同状态、不同场所等特殊要求。这样，照明不仅能体现光亮度，更能体现五彩缤纷的色彩。

因此， LED作为新一代照明光源必将结合以上这些特性，并将这些特性发挥到极致，从而真正进入到人类生活的每一个角落，不仅给人们带来光明，更带来愉悦的色彩享受。

[1]ROUND H J.A note on carborundum[J].Electrical World, 1907, 49:309.

[2]NAKAMURA S, MUKAI T, SENOH M.Candela-class high-brightness InGan-AlGan double heterostructure blue light-emitting diodes[J].Appl.Phys.Lett., 1994, 64:1687-1689.

[3]NAKAMURA S, MUKAI T, SENOH M, et al.High-brightness InGaN/AlGaN double-heterostructure blue-green-lightemitting diodes [J].J.Appl.Phys., 1994, 76:8189-8191.

[4]AMANO H, KITO M, HIRAMATSU K, et al.P-type conduction in Mg-doped GaN treated with low-energy electron beam irradiation(LEEBI)[J].Japanese Journal of Applied Physics, 1989, 28:L2112-L2114.

[5]SOLYMAR L, WALSH D.Electrical Properties of Materials [M].6th ed, Oxford:Oxford Science Publications, 1998:138.

[6]YOSHIDA S, MISAWA S, GONDA S.Improvements on the electrical and luminescent properties of reactive molecular beam epitaxially grown GaN films by using AlN‐coated sapphire substrates[J].Appl.Phys.Lett., 1983, 42:427-429.

[7]YAMADA M, MITANI T, NARUKAWA Y, et al.InGaN-based near-ultraviolet and blue-light-emitting diodes with high external quantum efficiency using a patterned sapphire substrate and a mesh electrode [J].Jpn.J.Appl.Phys., 2002, 41:L1431-L1433.

[8]CHANG S J, LIN Y C, SU Y K, et al.Nitride-based LEDs fabricated on patterned sapphire substrates [J].Solid-State Electronics, 2003, 47:1539-1542.

[9]LEE Y J, HWANG J M, HSU T C, et al.Enhancing output power of GaN-based LEDs grown on chemical wet etching patterned sapphire substrate[J].IEEE Photonics Technology Letters, 2006, 18:1152-1154.

[10]YAN F, GAO H, ZHANG Y, et al.High-efficiency GaN-based blue LEDs grown on nano-patterned sapphire substrates for solid-state lighting[J].Proc.of SPIE, 2007, 6841:684103-684107.

[11]YANG H, CHEN Y, WANG L, et al.The effects of sapphire substrates processes to the LED efficiency[J].Proc.of SPIE, 2007,6841:68410M-1-68410M-6.

[12]JHIN J, BAEK J, LEE T.Effects of patterned ion implanted sapphire substrate for LED[J].Physica Status Solidi (c), 2008, 5:2213–2215.

[13]CHEN J J, SU Y K, LIN C L，et al.Enhanced Output Power of GaN-Based LEDs With Nano-Patterned Sapphire Substrates [J].IEEE Photonics Technology Letters, 2008, 20:1193-1195.

[14]OH T S, KIM S H, KIM T K, et al.GaN-based light-emitting diodes on micro-lens patterned sapphire Substrate[J].Japanese Journal of Applied Physics, 2008, 47:5333-5339.

[15]ZIEGLER G, LANIG P, THEIS D,et al.Single crystal growth of SiC substrate material for blue light emitting diodes [J].IEEE Transactions on Electron Devices, 1983, 30:277-281.

[16]BARRETT D L, SEIDENSTICKER R G, GAIDA W, et al.SiC boule growth by sublimation vapor transport [J].Journal of Crystal Growth, 1991,109:17-23.

[17]CARTER C H J, TSVETKOV V F, GLASS RC, et al.Progress in SiC:from material growth to commercial device development [J].Materials Science and Engineering:B，1999, 61-62:1-8.

[18]MULLER S G, GLASS R C, HOBGOOD H M, et al.Progress in the industrial production of SiC substrates for semiconductor devices[J].Materials Science and Engineering:B, 2001, 80:327-331.

[19]YEO I G, LEE T W, LEE W J, et al.Non-polar SiC crystal growth with m-plane(1-100) and a-plane(11-20) by PVT method[J].Materials Science Forum, 2010, 37:645-648.

[20]KAMIYAMA S, IWAYA M, TAKEUCHI T, et al.Fluorescent SiC and its application to white light-emitting diodes[J].Journal of Semiconductors,2011, 32:013004-1-013004-3.

[21]SACHIN M B, NATHANIEL R Q, ARAVINDA K.Laser-patterned blue-green SiC LED [J].MRS Proceedings, 2008, 911:B10-01.

[22]YANG H Y, YU S F, CHENG C W, et al.Randomly packed n-SnO2nanorods/p-SiC heterojunction light-emitting diodes[J].Appl.Phys.Lett., 2009,95:201104-6.

[23]SHIH Y T, WU M K, CHEN M J, et al.ZnO-based heterojunction light-emitting diodes on p-SiC(4H) grown by atomic layer deposition[J].Applied Physics B, 2010, 98:767-772.

[24]HAMAKAWA Y, KRUANGAM D, DEGUCHI D, et al.Visible light thin film LED made of a-SiC p-i-n junction[J].Applied Surface Science, 1988,33-34:1142-1150.

[25]SHIN N F, CHEN J Y, Jen T S, et al.Hydrogenated amorphous silicon carbide double graded-gap p-i-n thin-film light-emitting diodes[J].Electron Device Letters, IEEE, 1993, 14:453-455.

[26]FUTAGI T, OHTANI N, KATSUNO M, et al.An amorphous SiC thin film visible light-emitting diode with a µc-SiC:H electron injector [J].Journal of Non-Crystalline Solids, 1991, 137-138:1271-1274.

[27]HUH C, CHO K S, KIM K H, et al.Effects of an undoped Si1−xCx buffer layer on performance of Si nanocrystal light-emitting diodes[J].Electrochem.Solid-State Lett., 2008, 11:H189-H192.

[28]Toyama T, Hattori Y, Deguchi M, et al.Improvement of carrier injection efficiency in a-SiC p-i-n LED using highly-conductive wide-gap p, n type a-SiC prepared by ECR CVD[J].Journal of Non-Crystalline Solids, 1987, 97-98:293-296

[29]WANG Q, LI Y G, SHI L W et al.Investigation on the luminescent properties of SiC[J].Semiconductor Photonics and technology, 2003, 9:182-188.

[30]HASEGAWA Y, EGAWA T, JIMBO T, UMENO M.GaAs-based LED on Si substrate with GaAs islands active region by droplet-epitaxy[J].Applied Surface Science, 1996, 100:482-486.

[31]CHUONG A, TRAN A, OSINSKI R F, et al.Growth of InGaN/GaN multiple-quantum-well blue light-emitting diodes on silicon by metalorganic vapor phase epitaxy[J].Appl.Phys.Lett., 1999, 75(11):1494.

[32]KIKUCHI A, KAWAI M, TADA M, et al.InGaN/GaN multiple quantum disk nanocolumn light-emitting diodes grown on (111) Si substrate[J].J.Appl.Phys., 2004, 43:L1524-L1526

[33]FUJIKAWA S, HIRAYAMA H.First achievement of Deep-UV LED on Si substrate [C]//22nd IEEE International Semiconductor Laser Conference(ISLC), Kyoto, 2010, 21–22.

[34]WAKUI M, HU F R, SAMESHIMA H, et al.Growth of GaN LED structure on Si substrate by MBE and monolithic fabrication of GaN LED cooling system[J].IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering, 2010, 5:171–174.

[35]SAWAKI N, HONDA Y.Semi-polar GaN LEDs on Si substrate[J].Science China Technological Sciences, 2011, 54:38-41.

[36]XIONG C B, JIANG F Y, FANG W Q, et al.The characteristics of GaN-based blue LED on Si substrate[J].Journal of Luminescence, 2007,122-123:185-187.

[37]徐永宽.GaN单晶生长技术研究现状[J].半导体技术, 2007, 32(2):101-105.

[38]NISHIDA T, SAITO H, KOBAYASHI N.Efficient and high-power AlGaN-based ultraviolet light-emitting diode grown on bulk GaN[J].Appl.Phys.Lett., 2001, 79:711-712.

[39]NISHIDA T, MAKIMOTO T, SAITO S, et al.AlGaN-based ultraviolet light-emitting diodes grown on bulk AlN substrates[J].Appl.Phys.Lett.,2004, 84:1002-1003

[40]WALTEREIT P, BRANDT O, TRAMPERT A, et al.Nitride semiconductors free of electrostatic fields for efficient white light-emitting diodes[J].Nature, 2000, 406:865-868.

[41]邹军, 周圣明, 徐 军, 等.新型衬底ɣ-LiAlO2的生长和性能[J].中国科学 E 辑 技术科学, 2006, 36:491-496.

[42]MITCH M C, CHOU D R, HANG H, et al.Crystal growth and properties of LiAlO2and nonpolar GaN on LiAlO2substrate[J].J.Appl.Phys., 2007,101:103106-103112.

[43]XIE Z L, ZHANG R, HAN P, et al.Structural and Optical Properties of Nonpolar m-Plane GaN and GaN-Based LEDs on γ-LiAlO2[J].Chinese Phys.Lett., 2008, 25:2614-2619.

[44]HANG D R, CHOU M C, CHANG L W, et al.Growth and characterization of m-plane GaN-basedlayersonLiAlO2(100) grown by MOVPE[J].Journal of Crystal Growth, 2009, 311:452-455.

[45]ZHANG R, XIE Z L, LIU B, et al.Non-polar m-plane GaN film and polarized InGaN/GaN LED grown on LiAlO2(001) substrates[J].Proceedings of the SPIE, 2010, 7602:76020D-7.

[46]BEJTKA K, EDWARDS P R, MARTIN R W, et al.Composition and luminescence of AlInGaN layers grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy [J].Journal of Applied Physics, 2008, 104:073537-073542.

[47]JIANG H X, LIN J Y.AlGaN and InAlGaN alloys-epitaxial growth, optical and electrical properties and applications [J].Opto-Electronics Review,2002, 10:271–286.

[48]NAKAMURA S, HARADA Y, SENO M.Novel metalorganic chemical vapor deposition system for GaN growth[J].Appl.Phys.Lett., 1991,58:2021-2023.

[49]BECCARD R, SCHMITZ D, WOELK E G, et al.High temperature CVD systems to grow GaN or SiC based structures [J].Materials Science and Engineering:B, 1999, 61-62:314-319.

[50]CHAKRABORTY A, HASKELL B A, KELLER S, et al.Nonpolar InGaN／GaN emitters on reduced-defect lateral epitaxially overgrown a-plane GaN with drive-current-independent electroluminescence emission peak[J].Appl.Phys.Lett., 2004, 85:5143-5145.

[51]KIM K C, SCHMIDT M C, SATO H, et al.Improved electroluminescence on nonpolar m -plane InGaN/GaN quantum wells LEDs [J].Physical Status Solidi (RRL), 2007, 1:125–127.

[52]CHANG S P, LU T C, ZHUO L F, et al.Low droop nonpolar GaN/InGaN light emitting diode grown on m-Plane GaN substrate[J].Journal of the Electrochemical Society, 2010, 157:H501-H503.

[53]SAITO Y, OKUNO K, BOYAMA S, et al.M-plane GaInN light emitting diodes grown on Patterned a-Plane Sapphire Substrates [J].Applied Physics Express, 2009, 2:041001.

[54]WETZEL C, ZHU M, SENAWIRATNE J, et al.Light-emitting diode development on polar and non-polar GaN substrates[J].Journal of Crystal Growth, 2008, 310:3987-3991.

[55]LO M H, TU P M, WANG C H, et al.Defect selective passivation in GaN epitaxial growth and its application to light emitting diodes[J].Appl.Phys.Lett., 2009, 95:211103-211105.

[56]FRAJTAG P, EL-MASRY N A, NEPAL N, et al.Embedded voids approach for low defect density in epitaxial GaN films[J].Appl.Phys.Lett., 2011,98:023115-023117.

[57]QU S, WANG C X, LI S Q, et al.Influence of the misorientation of 6H–SiC substrate on the quality of GaN epilayer grown by MOVPE[J].Journal of Alloys and Compounds, 2011, 509:3656-3660.

[58]FUJII T, GAO Y, SHARMA R, et al.Increase in the extraction efficiency of GaN-based light-emitting diodes via surface roughening [J].Appl.Phys.Lett., 2004, 84:855-857.

[59]FUJII T, DAVID A, GAO Y, et al.Cone-shaped surface GaN-based light-emitting diodes [J].Physica Status Solidi (c), 2005, 2:2836-2840.

[60]HUANG H W, KAO C C, CHU J T, et al.Improvement of InGaN–GaN light-emitting diode performance with a nano-roughened p-GaN surface[J].IEEE Photonics Technology Letters, 2005, 17:983-985.

[61]KIM D H, CHO C O, ROH Y G, et al.Enhanced light extraction from GaN-based light-emitting diodes with holographically generated two-dimensional photonic crystal patterns [J].Appl.Phys.Lett., 2005, 87:203508-203510.

[62]CHO H K, JANG J, CHOI J H, et al.Light extraction enhancement from nanoimprinted photonic crystal GaN-based blue light-emitting diodes[J].Optics Express, 2006, 14:8654-8660.

[63]LEE H C, PARK J B, BAE J W, et al.Effect of the surface texturing shapes fabricated using dry etching on the extraction efficiency of vertical light-emitting diodes[J].Solid-State Electronics, 2008, 52:1193-1196.

[64]GESSMANN T, LUOA H, XIA J Q, et al.Light-emitting diodes with integrated omnidirectionally reflective contacts [J].Proceedings of SPIE, 2004,5366:53-61.

[65]XU Q T, LI K, KONG F M, LIU Q.Enhancing extraction efficiency from GaN-based LED by using an omni-directional reflector and photonic crystal[J].Optoelectronics Letters, 2009, 5:405-408.

[66]WONG W S, SANDS T, CHEUNG N W, et al.Fabrication of thin-film InGaN light-emitting diode membranes by laser lift-off[J].Jpn.Appl.Phys.Lett., 1999, 75:1360-1362.

[67]DAMILANO B, GRANDJEAN N, PERNOT C, et al.Monolithic white light emitting diodes based on InGaN/GaN multiple-quantum wells[J].Jpn.J.Appl.Phys., 2001, 40:L918-L920.

[68]OZDEN I, MAKARONA E, NURMIKKO A V, et al.A dual-wavelength indium gallium nitride quantum well light emitting diode [J].Applied Physics Letters, 2001, 79:2532-2534.

[69]CHEN C H, CHANG S J, SU Y K, et al.Nitride-based cascade near white light-emitting diodes[J].IEEE Photonics Technology Letters, 2002,14:908-910.

[70]ZHANG G Y, YANG Z J, TONG Y Z, et al.InGaN/GaN MQW high brightness LED grown by MOCVD[J].Optical Materials Volume, 2003,23:183-186.

[71]QI Y D, LIANG H, TANG W, et al.Dual wavelength InGaN/GaN multi-quantum well LEDsgrown by metalorganic vapor phase epitaxy[J].Journal of Crystal Growth, 2004, 272:333-340.

[72]CHEN H S, YEH D M, LU C F, et al.White light generation with CdSe–ZnS nanocrystals coated on an InGaN–GaN quantum-well blue/green two-wavelength light-emitting diode[J].IEEE Photonics Technology Letters, 2006, 18:1430-1432.

[73]沈光地, 张念国, 刘建平, 等.InGaN/GaN MQW双波长LED的MOCVD生长[J].半导体光电, 2007, 28:349-353.

[74]DAMILANO B, DUSSAIGNE A, BRAULT J, et al.Monolithic white light emitting diodes using a (Ga,In)N/GaN multiple quantum well light converter[J].Appl.Phys.Lett., 2008, 93:101117-101119.

[75]WANG X H, JIA H Q, GUO L W, et al.White light-emitting diodes based on a single InGaN emission layer[J].Appl.Phys.Lett., 2007, 91:161912-1-3.

[76]WANG X L, WANG X H, JIA H Q, et al.Recent progress in single chip white light-emitting diodes with the InGaN underlying layer [J].Science China Physics, Mechanics & Astronomy 2010, 53:445-448.

[77]KIM J H, HOLLWAY P H.Room-temperature photoluminescence and electroluminescence properties of sputter-grown gallium nitride doped with europium [J].J.Appl.Phys., 2004, 95:4787-4790.

[78]WOODWARD N, POPLAWSKY J, MITCHELL B, et al.Excitation of Eu3+ in gallium nitride epitaxial layers:Majority versus trap defect center[J].Appl.Phys.Lett., 2011, 98:011102-011104.

[79]KASAI H, NISHIKAWA A, KAWASAKI T, et al.Improved Eu luminescence properties in Eu-Doped GaN grown on GaN substrates by organometallic vapor phase epitaxy[J].Jpn.J.Appl.Phys., 2010, 49:048001-048002.

[80]FUJIWARA Y, NISHIKAWA A, TERAI Y. Recent progress in rare-earth-doped semiconductors[C]// The International Conference on Compound Semiconductor Manufacturing Technology，Portland, 2010:215-217.

[81]PARK N M, KIM T S, PARK S J.Band gap engineering of amorphous silicon quantum dots for light-emitting diodes [J].Appl.Phys.Lett., 2001,78:23-25.

[82]KISHINO K, KIKUCHIA A, SEKIGUCHIA H, et al.InGaN/GaN Nanocolumn LEDs Emitting from Blue to Red [J].Proc.of SPIE, 2007,6473:64730T.

[83]LIN H W, LU Y J, CHEN H Y, et al.InGaN/GaN nanorod array white light-emitting diode[J].Appl.Phys.Lett., 2010, 97:073101-073103.

[84]DAI Q, DUTY C E, HU M Z.Semiconductor-nanocrystals-based white light-emitting diodes [J].Small, 2010, 6:1577-1588.

[85]RYU Y, LEE T S, LUBGUBAN J A, et al.Next generation of oxide photonic devices:ZnO-based ultraviolet light emitting diodes [J].Appl.Phys.Lett., 2006, 88:241108-241110.

[86]JIAO S J, ZHANG Z Z, LU Y M, et al.ZnO p-n junction light-emitting diodes fabricated on sapphire substrates[J].Appl.Phys.Lett., 2006, 88:3-5.

[87]XU W Z, YE Z Z, ZENG Y J.ZnO light-emitting diode grown by plasma-assisted metal organic chemical vapor deposition [J].Appl.Phys.Lett.,2006, 88:173506-173507.

[88]IIDA I, SUGIMOTO T, SUZUKI S, et al.Vapor phase epitaxial growth and characterization of ZnS layer on GaAs substrate for LED application [J].Journal of Crystal Growth, 1985, 72:51-56.

[89]OHNO T, KURISU K, TAGUCHI T.Growth of high-quality cubic ZnS crystals and their application to MIS blue light-emitting diodes [J].Journal of Crystal Growth, 1990, 99:737-742.

[90]ELGER G, HUTTER M, OPPERMANN H, et al.Development of an assembly process and reliability investigations for flip-chip LEDs using the AuSn soldering[J].Microsystem Technologies, 2001, 7:239-243.

[91]WIERER J J, STEIGERWALD D A, KRAMES M R, et al.High-power AlGaInN flip-chip light-emitting diodes high-power AlGaInN flip-chip light-emitting diodes[J].Appl.Phys.Lett., 2001, 78:3379-3381.

[92]SHCHEKIN O B, EPLER J E, TROTTIER T A, et al.High performance thin-film flip-chip InGaN–GaN light-emitting diodes[J].Appl.Phys.Lett.,2006, 89:71109-71111.

[93]CHEN P H, LIN C L, LIN K H, et al.Studies and issues of thin-GaN LED process [J].Proc.of SPIE 2007, 6669:66690V1-4.

[94]WANG N, HSU A, LIM A, et al, High brightness LED assembly using DPC substrate and SuperMCPCB[C]// 4th International Microsystems,Packaging, Assembly and Circuits Technology Conference IMPACT, Taipei, 2009:199-202.

[95]HORNG R H, CHIANG C C, TSAI Y L, et al.Thermal management design from chip to package for high power InGaN/Sapphire LED applications[J].Electrochem.Solid-State Lett., 2009, 12:H222-H225.

[96]HSU C Y, Lin Y L.Junction temperature of high-power LED packages with diamond film[C]// 3rd International Nanoelectronics Conference(INEC), Hongkong, 2010:785-786.

[97]LI H T, HSU C W, CHEN K C.Enhancement of light efficiency of LED using a novel high refractive encapsulant[C]// 58thElectronic Components and Technology Conference, Florid, 2008:1926-1930.

[98]BONACCORSO F, SUN Z, HASAN T, et al. Graphene photonics and optoelectronics [J].Nature Photonics, 2010, 4:611-622

[99]CHUNG K，LEE C H, YI G C.Transferable GaN layers grown on ZnO-coated graphene layers for optoelectronic devices[J].Science, 2010,330:655-657.

[100]JO G H, CHOE M Y, CHO C Y, et al.Large-scale patterned multi-layer graphene films as transparent conducting electrodes for GaN light-emitting diodes[J].Nanotechnology, 2010, 21:175201-175206.

[101]LEE J M, CHOUNG J W, YI J, et al.Vertical pillar-superlattice array and graphene hybrid light emitting diodes[J].Nano Lett., 2010, 10:2783-2788.

[102]XIE R J, NAOTO H, NAOKI K, et al.2-phosphor-converted white light-emitting diodes using oxynitride/nitride phosphors[J].Appl.Phys.Lett.,2007, 90:1911013.

[103]XIE R J, HIROSAKI N, SAKUMA K, et al.White light-emitting diodes (LEDs) using (oxy)nitride phosphors[J].J.Phys.D:Appl.Phys., 2008,41:144013-144018.

[104]赵昕冉, 傅仁利, 宋秀峰, 等.白光LED用硅基氮(氧)化物荧光转换材料的研究进展[J].硅酸盐通报, 2009, 28:965-975.

[105]YAMAMOTO H.White LED phosphors:The next step[J].Proc.SPIE, 2010, 7598:759808.

[106]YE S , XIAO F, PAN Y X, et al.Phosphors in phosphor-converted white light-emitting diodes:Recent advances in materials, techniques and properties[J].Materials Science and Engineering:R:Reports, 2010, 71:1-34.

[107]王志军, 庞立斌, 高少杰, 等.白光发光二极管用单基质全色荧光粉的研究进展[J].硅酸盐学报, 2010, 38:2366-2372.

[108]LI P L, WANG Z J, YANG Z P, et al.A potential single-phased white-emitting LiBaBO3:Ce3+, Eu2+ phosphor for white LEDs[J].Journal of Rare Earths, 2010, 28:523-525.

[109]HU Y S, ZHUANG W D, YE H Q, et al.Preparation and luminescent properties of (Ca1-x,Srx)S:Eu2+ red-emitting phosphor for white LED[J].Journal of Luminescence, 2005, 111:139-145.

[110]曹发斌, 田彦文, 陈永杰, 等.LED红色荧光材料的研究进展[J].材料导报, 2008，22:104-107.

[111]CHEN H S, HSU C K, HONG H Y, InGaN–CdSe–ZnSe quantum dots white LEDs[J].IEEE Photonics Technology Letters, 2006, 18:193.

[112]SHEN C Y.CdSe/ZnS/CdS core/shell quantum dots for white LEDs[J].Proc.of SPIE, 2008, 7138:71382E1.

[113]YE Z M, GREENFELD F, LIANGZ X.A topology study of single-phase offline AC/DC converters for high brightness white LED lighting with power factor pre-regulation and brightness dimmable[C]// 34th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics IECON '08., Florid,2008:1961-1967.

[114]GU L L, RUAN X B, XU M, et al.Means of eliminating electrolytic capacitor in AC/DC power supplies for LED lightings[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2009, 24:1399-1408.

致谢：作者非常感谢上海第二工业大学谢华清教授在本文成文过程中对作者的支持和鼓励。