我国目前是LED的最大生产国、出口国和消费国，LED全产业链的年产值近万亿元，LED产业大国地位凸显，然而在诸多方面还不是LED强国。当前，我国存在部分高端LED器件仍然依赖进口的尴尬局面，其中高功率密度LED器件是依赖进口的主要品类之一，其牵涉到诸多科学和技术问题，需要多学科交叉、产学研用结合对其进行深入研究，才能实现该器件的进口替代，从而不受制于人。

高功率密度LED白光器件之所以成为当前研究和产业的热点，其原因在于该器件促使了LED照明由以往的“替代照明时代”迈向了现在的“超越照明时代”，它能实现传统光源和普通LED白光器件无法实现的诸多功能。目前一颗LED高功率密度器件就能做到几百瓦功率，因此兴起了很多新应用、新市场，为LED照明产业的进一步发展展现了新机。

高功率密度LED器件分为泛光型和远射型，本课题组经已实现了泛光型高功率密度LED器件的量产和进口替代，而远射型超高功率密度LED器件我国完全依赖进口。

远射型高功率密度的LED器件，是LED薄膜从衬底剥离转移到新支撑基板上的薄膜型器件，器件发出的光从几微米厚度的LED薄膜发出，它是单面出光器件，能将器件发光面设置在应用产品的凹面镜或凸透镜的焦平面上，从而实现远射，因此称为远射型高功率密度器件。使用欧美远射型高功率密度大瓦数LED器件做成的灯具产品，能大面积照亮3公里以外的区域，在警用和军用致盲抓捕、夜间野外搜救和无人机高空应急照明等领域获得了应用，自从美欧禁止该器件出口我国以来，导致我国该应用领域的应用产品研发和生产中断，对我国安保和国防事业的发展造成了一定影响。

高功率密度大瓦数LED器件一般均需要在极限发光情况下工作，与通用LED器件工作模式有所不同，它要求器件在光饱和的极限电流情况下工作（也即电流增加LED的发光不再增加），使其尽量获得高光功率密度输出（也即极限光输出），从而实现更佳的暂时性非永久致盲效果和远程照射。LED器件的极限饱和电流会随器件温度的升高而下降，因此高功率密度大瓦数LED器件，既需要具有大的电流承载能力，还需要有很强的导热能力，以保证极限情况下的电光转换效率和光功率密度尽可能高。

欧美进口的远射型高功率密度LED白光器件，是先制作薄膜型蓝光芯片，然后在蓝光晶圆上制作荧光层，再切割成白光芯片，然后将芯片固晶在陶瓷基板上，并经焊线和灌封后，获得白光LED器件。本项目拟在前期工作基础上针对远射型高功率密度器件，采用与欧美不一样的技术方案，直接将InGaAlN LED薄膜共晶在陶瓷基板上，不需要芯片基板，这样获得的器件不但去除了芯片基板和封装导电银浆两个热阻，而且氮化镓LED薄膜与陶瓷基板热膨胀系数更为匹配，其功率密度承载能力有望大幅度提升，极限光功率密度有望高于欧美器件，期望能为该器件的国产化和进口替代做出贡献。

欧美远射型高功率密度LED器件，其芯片的氮化镓LED薄膜是从外延衬底激光剥离转移到芯片基板的，芯片基板一般为200微米左右厚度的硅铝合金（成分Si-20%Al，热导率1.1W/cm.k，热膨胀系数6×10-6/℃），在蓝光LED薄膜表面制作了黄色荧光层后，成为白光LED芯片[10，11]。将白光芯片用导电银浆固晶在氮化铝陶瓷PCB基板上，经过电极引线和灌封后，就获得了高功率密度的LED白光器件。下游应用产品厂家，将该器件用锡膏焊在热电分离的铜凸台PCB基板上，再将铜基板安装在散热器上，配上光学部件和电源，就能获得远射型灯具。

本项目，拟将氮化镓LED薄膜直接剥离转移并共晶到氮化铝陶瓷PCB基板上（氮化铝基材热导率3.2W/cm.k，热膨胀系数4.5×10-6/℃），不需要器件的芯片基板。这样制作的器件，优点在于器件的导热性能可以显著提升，从而器件工作的光饱和电流显著增大，也即器件的极限光功率密度能大幅度提升，从而能达到更好的短暂性致盲和远程照射效果。

要获得该直接共晶的远射型高功率密度大瓦数LED器件，不但需要攻克加工制造过程中的一系列关键工艺技术，而且需要对其中的若干科学问题进行深入研究。

关键工艺技术主要包括：P型欧姆接触银反射镜技术、N型电极穿孔技术、钛钨阻挡层溅射成膜技术、钛钨阻挡层退火及蚀刻技术、P电极和N电极钝化隔离技术、金锡共晶焊的阻挡层技术、晶粒切割裂片技术、去除蓝宝石衬底的激光剥离（LLO）技术、氮化镓薄膜粗化技术、N电极引线焊盘制作技术、黄光荧光层制作技术、电极引线技术、灌封技术、器件切割技术和器件分光技术。在芯片加工制造的关键工艺技术方面，诸多工艺技术与现有的薄膜型LED器件的工艺技术是共通的（如欧姆接触银反射镜、N电极孔ICP刻蚀、钝化层PECVD生长及蚀刻、钛钨阻挡层合金退火和蚀刻、电子束蒸发镀金锡合金、N机型氮化镓表面粗化、芯片钝化等），所不同之处在于本项目是先在完成芯片P面的工艺制造后，将外延片激光切割成晶粒，金锡共晶在陶瓷基板上，然后激光剥离去除外延衬底，并对N极性面的氮化镓进行粗化处理，然后完成钝化和P电极引线焊盘的蒸镀，灌封工艺与固晶后的欧美器件基本一致。项目组有近三十年LED芯片制造经历，有能力攻克该系列工艺技术。

相关科学问题主要包括：1）尽管氮化铝陶瓷PCB基板的基材氮化铝的热膨胀系数与氮化镓LED薄膜是匹配的，然而陶瓷基板正反面的金属镀层（封装用基板是正反面金属层均为50微米左右厚度）其热膨胀系数与氮化镓薄膜是不匹配的。如果陶瓷板上的金属镀层太厚，氮化铝陶瓷很难限制其热胀冷缩横向尺度的变化，从而会引起器件加工和使用过程中，氮化镓薄膜开裂。只有陶瓷基板上的金属层薄到一定程度时，氮化铝基材才能限制金属镀层的横向热膨胀和板面热弯曲，从而防止器件失效。然而，陶瓷板金属镀铜层的厚度变薄后，镀层横向散热能力可能会受到影响，从而会使器件极限发光的饱和电流减小。因此氮化铝基材厚度、金属镀层厚度、器件散热特性、极限发光电流之间的科学合理匹配成为重要研究内容。2）远射型高功率密度器件是倒装薄膜型器件（与蓝宝石衬底或碳化硅衬底倒装芯片不同），其N电极通孔的密度、N电极通孔的大小、氮化镓N型层厚度、N型层掺杂溶度之间的科学合理匹配成为重要研究内容。只有建立四者之间的消长关系，才能使得器件既能获得高功率密度，又能获得台面均匀发光的器件，且不因器件的串联电阻大而引起器件工作电压升高发热严重。3）现有文献对氮化镓基LED发光机理的讨论，均是基于LED在非极限工作条件下展开的，在极限工作条件下呈现的新的发光现象和机理也是值得关注和探讨的问题。

本项目以远射型高功率密度大瓦数LED器件制造及其极限发光性能为研究内容，以项目一年期内实现产业化为研究目标，拟采用与欧美不一样的技术方案，直接将InGaAlN LED薄膜共晶在陶瓷基板上，然后灌封成白光器件。期望通过本课题的研究，攻克一系列关键工艺技术，同时找到氮化铝基材厚度、金属镀层厚度、器件散热特性、极限发光电流之间最佳匹配关系，以及N电极通孔的密度、N电极通孔的大小、氮化镓N型层厚度、N型层掺杂溶度之间合理匹配关系，并对极限工作条件下的发光现象和机理进行一定的探讨。期望通过本项目的研究，使高功率密度LED器件的电功率密度承载能力和极限发光强度均大幅度提升，为该关键核心元器件的国产化和进口替代做出贡献。

LED器件是《中国制造2025》新材料领域的发展重点，是国家和福建省“战略性新兴产业十四五规划”的重点内容，具有广阔的发展前景。国务院印发的《“十四五”国家科技创新规划》中明确指出，突破光电子器件制造的标准化难题和技术瓶颈，以第三代半导体材料与半导体照明、新型显示为核心，推动跨界技术整合，抢占先进电子材料技术的制高点。LED 照明光电子器件是国家“十四五”重点支持的技术领域。

得益于福建省长期支持LED产业发展和科技创新，福建省LED产业已经形成了上游外延芯片、中游器件封装和下游应用产品的全产业链合理布局，培育了若干有一定国际影响力的龙头企业。福建省《关于进一步加快产业转型升级的若干意见》指出：要紧紧抓住信息产业快速发展的契机，攻克高性能LED封装等关键技术，做大做强LED产业集群。《福建省“十四五”科技创新发展专项规划》明确指出优化战略性新兴产业区域布局，助推福建省 LED 产业集群成为全国规模最大的产业集群。2022年度全国LED全产业链的总产值近万亿元，目前福建省是我国LED产业的第二大省(仅次于广东省)，只要持续加大对LED产业技术创新的支持力度，我省成为该产业第一大省的战略目标有望能提前实现。

本项目申请人成为2015年度国家技术发明一等奖获奖人之一和2020年度中国专利优秀奖获奖人的原因在于，为我国中小功率远射型LED白光器件的国产化做出过贡献。来福建工作后，我们开展了泛光型高功率密度大瓦数LED白光器件的研发和产业化工作，并实现了量产和进口替代并超越。在此工作基础上，开展远射型高功率密度大瓦数LED白光器研发及其产业化工作，预计能顺利实现大规模量产。

如果福建省能抓住高功率密度远射型LED器件更新换代的新机遇，率先在国内开展该品类LED器件的研发并实现产业化，同时突破与之相关的关键核心技术，并力争由替代进口迈向超越进口，这对于我省的LED照明产业的发展具有重大而深远的意义。