大功率LED制造中的关键科学问题

研究适用于大功率LED制造的多尺度多物理场耦合建模方法和理论，指导大功率LED的数字化制造，已成为大功率LED制造整体优化设计的关键科学问题以及当今国际该领域的研究热点和难点，它的研究对高出光率、高可靠性和长寿命大功率LED的制造具有理论意义和应用价值。本项目从创建适用于大功率LED制造过程的多尺度多物理场耦合建模方法和理论出发，通过对LED制造过程中关键工艺（如外延过程中MOCVD生长，芯片加工过程中键合与剥离，封装过程中掺荧光粉硅胶的流变和固化，器件快速可靠性评估等）的剖析，利用精确建模仿真研究不同尺度下多物理量(如变形、应力、流体、温度、光等)共同作用对LED制造缺陷的形成、扩展与器件性能的影响机理，定量分析制造过程中材料、结构和工艺因素对LED器件行为的影响机制，以及各制造工艺之间的相互关系，实现对LED制造过程的优化设计与控制，为大功率LED制造提供理论指导和技术参考。

根据国家自然科学基金委员会《资助项目计划书》的研究内容要求，本项目组从创建适用于大功率LED制造过程的多尺度多物理场耦合建模方法和理论出发，通过对LED制造过程中关键工艺（如外延生长，封装过程中掺荧光粉硅胶的流变和固化，器件快速可靠性评估等）的剖析，利用精确建模仿真研究不同尺度下多物理量(如变形、应力、流体、温度、光等)共同作用对LED制造缺陷的形成、扩展与器件性能的影响机理，定量分析制造过程中材料、结构和工艺因素对LED器件行为的影响机制，以及各制造工艺之间的相互关系，实现对LED制造过程的优化设计与控制。整个项目围绕“多尺度多物理场建模方法”、“MOCVD反应腔设计与外延生长”、“LED芯片设计与制造”、“LED可靠性”和“大功率LED封装与应用”中的关键技术及其技术基础，从五个方面开展了全面而深入的研究。多尺度多物理场方面，将CPMD与多物理场有限元分析软件集成，在同一个交互界面下调用CPMD和有限元软件，基本实现CPMD与有限元分析结果间的数据传递，实现在交互界面下的模拟参数修改；建立了大功率LED制造中的多尺度多物理场耦合方法与理论。在外延生长方面，通过第一性原理分子动力学CPMD对氮化镓基LED外延生长表面微观机制进行计算分析，根据理论分析结果设计了一种缓冲分布式MOCVD反应腔结构，可以得到高质量的氮化镓基外延片。在芯片设计和制造方面，基于薛定谔方程和泊松方程的自洽解，系统分析了LED芯片电流扩展的基本情况，总结出LED芯片电极设计的一些基本原则；基于蒙特卡罗光线追迹方法，分析了正装、倒装和垂直结构三种典型LED芯片的取光效率及其潜力，以及四种提高LED芯片取光效率的有效途径。在LED可靠性方面，测试了荧光粉层热导率，揭示了温度和湿度对荧光粉层衰减的影响规律；提出了一种LED高温高湿可靠性试验模型，理论结合实验分析评估了影响LED可靠性的相关因素。在LED封装方面，建立了精确的白光LED模型，实验验证了优化的荧光粉涂覆工艺，提高了LED封装模块的光效和颜色空间均匀性；基于非连续自由曲面透镜设计方法，设计了多种高效且能实现各种特殊目的的自由曲面透镜；发现了荧光粉自发热现象，并解释了其机制和提出了有效解决方案。