LED半导体照明外延及芯片技术的最新进展
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自上世纪90年代初中村修二创造高亮度蓝光LED以来，根据GaN基蓝光LED和黄色荧光粉组合宣布白光办法的半导体照明技能在世界范围内得到了广泛注重和疾速展开。迄今为止，商品化白光LED的光效现已超越150 lm/W，而试验室水平现已超越了200 lm/W，远远高于传统白炽灯（15 lm/W）和荧光灯（80 lm/W）的水平。从商场看，LED现已广泛运用于显示屏、液晶背光源、交通指示灯、室外照明等范畴，并现已开端向室内照明、汽车灯、舞台灯光、特种照明等商场浸透，将来有望悉数交换传统光源。
半导体照明光源的质量和LED芯片的质量休戚关联。进一步前进LED的光效（尤其是大功率作业下的光效）、可靠性、寿数是LED资料和芯片技能展开的方针。现将LED资料和芯片的要害技能及其将来的展开趋势做如下整理：
一、资料外延
1.外延技能
金属有机物化学气相堆积（MOCVD）技能是成长LED的干流技能。这些年，得益于MOCVD设备的前进，LED资料外延的本钱现已显着的下降。当前商场上首要的设备供给商是德国的Aixtron和美国的Veeco。前者可供给水平行星式反响室和近耦合喷淋头式反响室两种类型的设备，其长处在于节约质料、成长得到的LED外延片均匀性好。后者的设备运用托盘的高速旋转发生层流，其长处在于保护简略、产能大。除此以外，日本酸素出产专供日本公司运用的常压MOCVD，可以取得非常好的结晶质量。美国运用资料公司首创了多反响腔MOCVD设备，并现已开端在产业界试用。
将来MOCVD设备的展开方向包含：进一步扩展反响室体积以前进产能，进一步前进对MO源、氨气等质料的运用率，进一步前进对外延片的在位监控才能，进一步优化对温度场和气流场的操控以晋升对大尺度衬底外延的撑持才能等。
2.衬底
（1）图形衬底
衬底是支撑外延薄膜的基底，因为缺少同质衬底，GaN基LED通常成长在蓝宝石、SiC、Si等异质衬底之上。展开至今，蓝宝石现已变成性价比最高的衬底，运用最为广泛。因为GaN的折射率比蓝宝石高，为了削减从LED出射的光在衬底界面的全发射，当前正装芯片通常都在图形衬底上进行资料外延以前进光的散射。常见的图形衬底图画通常是按六边形密排的尺度为微米量级的圆锥阵列，可以将LED的光提取功率前进至60%以上。一起也有研讨标明，运用图形衬底并联系必定的成长技能可以操控GaN中位错的延伸方向然后有用下降GaN外延层的位错密度。在将来适当一段时间内图形衬底仍然是正装芯片采纳的首要技能手法。
将来图形衬底的展开方向是向更小的尺度展开。当前，受限于制造本钱，蓝宝石图形衬底通常选用触摸式曝光和ICP干法刻蚀的办法进行制造，尺度只能做到微米量级。如能进一步减小尺度至和光波长可比拟的百nm量级，则可以进一步前进对光的散射才能。乃至可以做成周期性布局，运用二维光子晶体的物理效应进一步前进光提取功率。纳米图形的制造办法包含电子束曝光、纳米压印、纳米小球自拼装等，从本钱上思考，后两者更合适用于衬底的加工制造。
（2）大尺度衬底
当前，产业界中仍以2英寸蓝宝石衬底为干流，某些世界大厂现已在运用3英寸乃至4英寸衬底，将来有望扩展至6英寸衬底。衬底尺度的扩展有利于减小外延片的边缘效应，前进LED的成品率。可是当前大尺度蓝宝石衬底的价钱仍然贵重，且扩展衬底尺度后相配套的资料外延设备和芯片技能设备都要面对晋级，对厂商而言是一项不小的投入。
（3）SiC衬底
SiC衬底和GaN基资料之间的晶格失配度更小，事实证明在SiC上成长取得的GaN晶体质量要略好于在蓝宝石衬底上的成果。可是SiC衬底尤其是高质量的SiC衬底制造本钱很高，故鲜有厂商用于LED的资料外延。可是美国Cree公司凭仗自身在高质量SiC衬底上的制造优势，变成业界仅有一个只在SiC衬底上成长LED的厂商，然后避开在蓝宝石衬底上成长GaN的专利壁垒。当前SiC衬底的干流尺度是3英寸，将来有望拓宽至4英寸。SiC衬底比拟蓝宝石衬底更合适于制造GaN基电子器材，将来跟着宽禁带半导体功率电子器材的展开，SiC衬底的本钱有望进一步下降。
（4）Si衬底
Si衬底被看作是下降LED外延片本钱的抱负挑选，因为其大尺度（8寸、12寸）衬底展开得最为老练。可是，因为晶格失配和热失配太大，难于操控，根据Si衬底的LED资料质量相对较差，且成品率偏低，所以当前商场上根据Si衬底的LED商品非常罕见。当前在Si上成长LED首要选用以6英寸以下的衬底为主，思考成品率要素，实践LED的本钱和根据蓝宝石衬底的比拟不占优势。和SiC衬底一样，大多数研讨组织和厂商愈加喜爱在Si衬底上成长电子器材而不是LED。将来Si衬底上的LED外延技能大概瞄准8英寸或12英寸这种更大尺度的衬底。
（5）同质衬底
正如前面说到的，当前LED的外延成长仍然是以异质衬底的外延为主。可是晶格匹配和热匹配的同质衬底仍然被看作前进晶体质量和LED功能的结尾处理方案。近来几年，跟着氢化物气相堆积（HVPE）外延技能的展开，大面积GaN基厚衬底制造技能得到了注重，其制造办法通常为选用HVPE在异质衬底上疾速成长取得数十至数百微米厚的GaN体资料，再选用机械、化学或物理手法将厚层GaN薄膜从衬底上剥离下来，运用此GaN厚层作为衬底，进行LED外延。日本三菱公司和住友公司现已可以供给GaN基衬底的商品，可是价钱贵重，关于通常LED的成长不划算。首要是用于激光器的制造或许非极性/半极性面LED的研讨。美国加州大学圣芭芭拉分校（UCSB）中村小组在非极性/半极性面LED研发方面做出了许多开创性和代表性的作业。非极性/半极性面LED可以躲避传统c面LED中存在的极化效应疑问，然后进一步晋升LED尤其是长波长可见光LED的功率。可是高质量的非极性/半极性面LED有必要依靠同质衬底，而非极性/半极性面的GaN衬底离实用化还有适当的间隔。此外，日本、波兰、美国等一些校园和研讨组织也在测验运用碱金属熔融法、氨热法等手法在高压和中温条件下制造GaN块状晶体，可是当前都尚处于研讨期间。
3.外延布局及外延技能
（1）Droop效应
经过若干年的展开，LED的外延层布局和外延技能现已比拟老练，其内量子功率最高可达90%以上。可是，近几年跟着大功率LED芯片的鼓起，LED在大写入下的量子功率下降导致了大家的广泛注重，该表象被形象地称为Droop效应。对产业界而言，处理Droop效应可以在确保功率的前提下进一步减小芯片尺度，到达下降本钱的意图。对学术界而言，Droop效应的缘由是招引科学家研讨的热门。不同于传统半导体光电资料，GaN基LED的Droop效应缘由非常复杂，相应也缺少有用的处理手法。研讨人员经过探究，比拟倾向的几个缘由分别是：载流子的解局域化、载流子从有源区的走漏或溢出、以及俄歇复合。尽管详细的缘由还不清楚，可是试验发现选用较宽的量子阱以下降载流子的密度和优化p型区的电子阻挡层都是可以减轻Droop效应的手法。
（2）量子阱有源区
InGaN/GaN量子阱有源区是LED外延资料的中心，成长InGaN量子阱的要害是操控量子阱的应力，减小极化效应的影响。惯例的成长技能包含：多量子阱前成长低In组分InGaN预阱开释应力并充任载流子蓄水池，升温成长GaN垒层以前进垒层的晶体质量，成长晶格匹配的InGaAlN垒层或成长应力互补的InGaN/AlGaN布局等。量子阱的数量没有一致的规范，业界运用的量子阱数从5个到15个都有，结尾作用不同不大，阱数较少的LED在小写入下的功率更高，而阱数较多的LED在大写入下的功率更高。
（3）p型区
GaN的p型掺杂是早期困惑LED制造的重要瓶颈之一。这是因为非故意掺杂的GaN是n型，电子浓度在1×1016 cm-3以上，p型GaN的完成比拟艰难。当前为止最成功的p型掺杂剂是Mg，可是仍然面对高浓度掺杂构成的晶格损伤、受主易被反响室中的H元素钝化等疑问。中村修二在日亚公司创造的氧气热退火办法简略有用，是广泛运用的受主激活办法，也有厂商直接在MOCVD外延炉内用氮气在位退火激活。日亚公司的p-GaN质量是最佳的，可以和常压MOCVD成长技能关联。此外，也有一些运用p-AlGaN/GaN超晶格、p-InGaN/GaN超晶格来前进空穴浓度的报导。尽管如此，p-GaN的空穴浓度以及空穴迁移率和n-GaN的电子比拟不同仍然很大，这构成了LED载流子写入的不对称。通常须在量子阱接近p-GaN一侧刺进p-AlGaN的电子阻挡层。但AlGaN和量子阱区之间极性的失配被以为是构成载流子走漏的首要缘由，因而近期也有一些厂商测验选用p-InGaAlN进行替代。
4.无荧光粉单芯片白光LED
现有白光LED首要选用蓝光LED加黄色荧光粉的办法组合宣布白光，这种白光典型的显色指数不高，尤其是关于赤色和绿色的再现才能较弱。此外，荧光粉也面对比如可靠性差、丢失功率等疑问。彻底依靠InGaN资料作为发光区在单一芯片中完成白光从理论上是可行的。这些年，国内外的一些高校和研讨组织也都展开了关联研讨。比拟有代表性的是中科院物理所陈弘小组运用InGaN量子阱中In的相别离完成了高In组分InGaN黄光量子点，和蓝光量子阱组合宣布白光。可是该白光的显色指数还比拟低。无荧光粉单芯片白光LED是很具招引力的展开方向，若是能完成高功率和高显色指数，将会改动半导体照明的技能链。
5.其他色彩LED
GaN基蓝光LED的外量子功率已超越60%，这意味着蓝光LED器材现已相对老练。因而，大家开端把眼光投向氮化物资料可以掩盖的其他波段。传统的III-V族半导体制造红外和红光波段的发光器材现已非常老练，所以对氮化物而言展开绿光和紫外光LED显得更有意义。
（1）绿光LED
绿光波段是当前可见光波段功率最低的，被称作“Green Gap”。InGaN在绿光波段功率低下的缘由是因为In组分较高和量子阱较宽导致的极化效应变得更强。前面说到的成长非极性/半极性面LED是前进绿光LED功率的有用办法，可是受限于同质衬底当前还不具实用性。近期，德国Osram公司的研讨人员要点研讨了光泵布局的LED。他们选用蓝光LED作为泵浦源激起绿光InGaN/GaN多量子阱 ，得到的绿光LED在350 mA下峰值波长为535 nm，流明功率为127 lm/W，高于直接将载流子写入绿光MQW的LED。
（2）紫外LED
紫外光在固化、灭菌、预警、荫蔽通讯等范畴有重要运用。传统的紫外光源都是真空器材。氮化物资料是最合适制造紫外光LED的资料系，可是因为位错密度高，一起发光区为AlGaN（不含In，无法运用InGaN发光功率对位错不灵敏的优势），GaN基紫外LED尤其是深紫外LED（波长280 nm以下）的功率还很低。日本的Riken研讨所和美国南加州大学的Arif Khan小组是研讨深紫外LED的前锋。Riken可以将深紫外LED的外量子功率做到3.8%，输出功率达30 mW。
二、芯片技能
1.正装芯片
正装芯片是当前商场上运用最多的芯片，日本日亚公司是该技能道路的典型代表。它通常是在蓝宝石图形衬底上成长LED资料，从外表p-GaN出光，并在蓝宝石反面蒸镀一层反射膜。需将芯片的一有些区域干法刻蚀至n-GaN以制造共面电极。正装芯片的布局简略，制造本钱低，合适小功率作业。因为蓝宝石衬底的散热才能不强，正装芯片大功率作业时会遭到一些约束，可是日亚公司凭仗其资料质量上的优势完成了LED在高结温下仍然具有可观的功率。其运用外量子功率84.3%的蓝光LED正装芯片封装得到的白光LED在20 mA下可完成249 lm/W的光效；高功率白光LED在350 mA电流下光效为183 lm/W。正装芯片的要害技能包含：
（1）通明导电膜
当前产业界首要运用氧化铟锡（ITO）电极作为p-GaN外表的通明欧姆电极。ITO是在太阳能电池和液晶范畴被广泛运用的通明导电膜，在蓝光区域有杰出的透光性。另一方面，In元素在地球上的储量不丰厚，归于稀有金属。因而，大家开端寻觅新的通明导电资料替代ITO，比拟有代表性的是ZnO通明薄膜。ZnO也归于宽禁带半导体，对蓝光通明。可是其稳定性、触摸特性等与ITO比拟还存在距离，因而产业界没有开端运用。
（2）外表粗化
前面说到，蓝宝石图形衬底的运用增强了光在GaN和蓝宝石界面处的散射，大幅前进了LED的光提取功率。在p-GaN外表或ITO电极外表也可制造相应的粗糙化布局来增强光的散射。日亚公司的代表性技能之一，即是将ITO通明电极制构成网状布局，以利于光的出射。一些组织也开端研讨选用自拼装成长ITO纳米线的办法在LED外表构成粗化布局。此外，也有人测验选用干法刻蚀的办法在p-GaN上制造二维光子晶体布局，运用光子晶体的禁带完成蓝光的悉数出射。可是大面积均匀的光子晶体的制造非常艰难，本钱很高，且会对电特性构成必定损坏，因而在产业界运用不多。
（3）DBR反射器
DBR反射器首要用于蒸镀在被减薄的蓝宝石衬底反面，将本来从蓝宝石反面出射的光反射至LED外表出射。早期的反射镀膜运用Al、Au等金属，但本钱过高，当前较多运用的是由SiO2/TiO2介质膜组成的DBR反射器。
2.笔直布局芯片
笔直布局芯片是当前高端LED芯片选用的干流技能道路。它是在p-GaN外表蒸镀高反射率金属欧姆电极并将LED倒扣焊接在Si或金属热沉上，然后把衬底剥离掉显露粗糙的n-GaN，在n-GaN外表制造欧姆电极，器材作业时电流笔直流过芯片。这种描绘不丢失制造共面电极时刻蚀掉的那一有些发光面积，且电流笔直流过芯片防止了横向活动的拥塞效应，一起散热才能变得很强，因而芯片在大功率条件下作业的功能很高。可是技能过程比拟多，制造本钱比正装芯片要高。美国Cree公司是该技能道路的代表，现已开端量产1W电功率下光效达200 lm/W的白光LED器材（非传统1×1 mm2尺度的芯片）。其要害的技能包含：
（1）衬底剥离
关于Si衬底，通常选用湿法腐蚀的办法去掉衬底即可。而关于蓝宝石或许SiC衬底则通常选用激光剥离技能进行别离，它是将紫外激光聚集到衬底和LED的界面处，让GaN吸收激光紫外的能量生成液态Ga和N2然后使衬底与GaN外延层别离。该技能可以一次剥离整片衬底，功率很高，可是需求尽可以防止激光对LED外延层构成的损伤。
（2）外表粗化
激光剥离后的n-GaN外表是粗糙的N极性面，将其浸泡于加热的KOH溶液之中，KOH可以腐蚀GaN外表构成随机排布的金字塔布局，这种布局非常利于光的散射。该技能的专利把握在UCSB中村小组手中，但许多厂商实践都在运用一样的技能。
3.倒装芯片
蓝宝石衬底是约束正装LED芯片散热的首要要素，美国Lumileds公司首要在业界开发了根据Si基热沉的倒装芯片布局。它首要制备出具有合适共晶焊接电极的大尺度LED芯片，一起制备出相应尺度的硅底板并在其上制造出供共晶焊接的金导电层及引出导电层，然后运用共晶焊接设备将大尺度LED芯片倒扣后与硅底板焊接在一起，光从蓝宝石衬底的反面出射，热量经过电极焊料从Si基热沉导走。这样的布局较为合理，即思考了出光疑问又思考到了散热疑问，合适制造大功率LED。当蓝宝石衬底的激光玻璃技能展开起来后，从前一度以为倒装芯片是一种介于正装芯片和笔直布局芯片之间的过渡技能。在大多数公司抛弃倒装布局的时分，Lumileds公司仍然坚持了这种技能道路，即便可以将蓝宝石衬底剥离掉也仍是保留了共面电极的描绘。这种倒装布局在chip on board（COB）技能展开起来以后又从头回归到大家的视界中。COB技能是在陶瓷基板上选用印刷电路的办法制备出现已描绘好串并联电路的若干芯片电极焊点，将LED倒装芯片一颗颗顺次焊接在board上完成大功率的器材。这种描绘简化了封装，完成了大功率器材的小型化，为照明灯具的描绘供给了便当。
4.高压交/直流驱动LED
单颗LED芯片作业于低压直流状态下，为了适用220 V的市电，LED照明光源需求配套相应的驱动电源。可是将220 V高压变为3 V左右低压的电源变换功率不够高，一起寿数受限于电解电容，在实践运用中存在许多疑问。在芯片层面完成多颗LED小芯片的串并联可使得LED作业在更高的驱动电压下，首要有两种思路。一种是运用LED作为二极管的整流特性，将多颗LED小芯片组成电桥布局，直接选用220 V交流电驱动LED，这种办法的长处是省去了变压器，可是每半个周期只要有些LED点亮，因而功率不高。另一种是将多颗LED小芯片串联起来，选用高压直流电驱动。这种办法仍然需求电源适配器，可是因为变压后的电压是几十伏，所以驱动电源的功率高，可靠性也高，比拟传统办法仍是有所改善。因而，高压直流驱动LED芯片当前是韩国和台湾厂商研讨的一个热门。
以上对当前的LED资料外延和芯片技能的要害技能以及展开情况进行了归纳。在各国公司和研讨组织的大力投入下，LED资料和芯片技能现已比拟老练，芯片的光效现已不再是约束LED照明运用的首要瓶颈。半导体照明技能下一步的展开是在尽可以下降本钱的一起供给比传统照明非常好的光色质量和人眼舒适度。这对LED资料和芯片提出了新的需求，若是高功率和高显色指数的无荧光粉单芯片白光LED可以实用化，则无疑是对半导体照明技能的一项推翻性革命。
本文章由澳镭照明电器拾掇发布,澳镭照明官方网站:www.aooled.com
