基于微切削加工的LED芯片表面强化出光微结构设计与制造

Light Emitting Diode (LED) has the potential to gradually replace incandescent and fluorescent lighting due to its unique attributes such as high efficiency, low energy consumption, low pollution, long life and high reliability. But its luminous efficiency still needs to be enhanced. In this project we propose to conduct a comprehensive study on the optimal design and manufacturing of LED surface microstructures for greatly enhancing the light extraction efficiency through micro-cutting structure and technology. Through the nano-indentation experiment and numerical analysis method, establish the deformation mechanism of LED semiconductor material such as GaN and the micro-cutting processing numerical model, revealing the deformation mechanism of GaN material, and enrich the hard brittle semiconductor materials manufacturing mechanism system. Through optimizing the micro-cutting system and process of light extraction efficiency enhancing structure, set up the GaN material micro-manufacturing mechanism system, implement the high efficiency and low cost manufacturing of light extraction efficiency enhancing structure, promote the industrialization of high photosynthetic efficiency LED. Through structure detection and characterization, establish the topology model of forming mechanism, surface morphology and light extraction efficiency, realize the active design of function structure and its processing technology, form a complete theoretical system of light extraction efficiency enhancing structure design and manufacture, and promote the development of LED light extraction efficiency enhancement technology in China.

发光二极管LED（Light Emitting Diode）具有节能、环保、寿命长三大优势，被誉为第四代照明光源，但其发光效率有待进一步提高。本项目针对目前LED芯片光提取效率低的问题，以微机械切削结构为研究对象和突破口，寻求LED芯片表面强化出光微结构的设计与制造技术。通过纳米压痕实验及数值分析相结合的手段，建立以GaN材料为代表的LED半导体材料变形机理及微切削加工数值模型，揭示GaN材料加工成型机理，丰富硬脆性半导体材料的制造理论体系；通过优化强化出光结构微切削加工系统与工艺，建立GaN材料微制造体系，实现强化出光微结构的高效、低成本加工，推动高光效LED的产业化应用；通过强化出光结构检测及表征，建立成形机理、表面结构形貌及强化出光效率关系拓扑模型，实现功能结构及加工工艺主动设计，形成一套完整的高效强化出光微结构设计、制造理论体系，促进我国LED强化出光技术的发展。

发光二极管（LED）是继白炽灯、荧光灯之后的新一代绿色光源，目前正逐步取代传统光源，渗透到人们的日常生活当中。但目前LED的发光效率仍处于较低水平，主要原因是由于大部分辐射光线在芯片内部产生全反射，针对上述问题，对本项目提出基于微机械加工的LED芯片表面强化出光微结构，提高LED的光提取效率。项目针对GaN材料微观机械性能进行综合分析，搭建机械加工实验系统，详细研究了强化出光微结构的微切削加工过程及切削参数的影响，针对微结构的参数进行优化，研究了加工强化出光微结构后的效率变化以及对LED封装器件的性能影响研究。项目研究的重要成果如下：.（1）GaN材料的微机械加工性能及变形机理研究：基于纳米压痕实验研究发现GaN材料的硬度H约为13Gpa，弹性模量E为290Gpa，材料的塑性变形主要是基于材料的滑移，滑移沿着其铅锌矿结构产生，在微纳米尺度具有很好的塑性特性。.（2）强化出光微结构的微机械切削加工与参数优化：建立强化出光微结构的微机械切削加工系统，刀具采用蓝宝石，三维运动控制采用线性移动平台。经微切削实验研究发现，在沟槽成型时，大部分的切削力被用来去除堆积在刀具前方的GaN材料，且随着切削深度的增加切削力呈线性增长；当进行微沟槽阵列切削时，为避免两个槽间的相互作用，槽间距应该是槽深度的1.5倍以上；交错切削时虽然纵向沟槽会对横向沟槽产生影响，但是当切削深度相当时，仍可保证结构的完整性。.（3）强化出光微结构参数优化与性能表征：采用正交实验和数学建模计算相结合的方式，对四棱台的结构参数进行模拟优化，得出最优的结构参数为w=2.6μm，wt=0.35μm，d=0.95μm，此时的光提取效率约为58%，LED器件的总出光效率提升51%。通过微结构对LED器件光学性能的影响研究发现，微结构表面并非总能提升白光LED的取光性能，表面分形粗糙度较小时有利于获得较均匀的光强分布，微结构表面有利于降低白光LED色温。