紅色、綠色、藍色LED發光二極管是由磷、砷、氮等的III-V族化合物如砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、磷砷化鎵(GaAsP)以及氮化鎵(GaN)等半導體制成的。LED照明技術路線包括了外延、襯底、封裝、白光LED種類等多方面。
1、外延技術
外延片材料是LED的核心部分,LED的波長、正向電壓、亮度或發光量等光電參數基本上都取決于外延片材料。外延技術和設備是外延片制造技術的關鍵,金屬有機物氣相沉積技術(MOCVD)是生長III-V族、II-VI族和合金薄層單晶的主要方法。外延片的位錯作為不發光的非輻射復合中心,對器件的光電性能具有非常重要的影響。近十多年業界通過改善外延生長工藝使得位錯密度得到了較大的改善。但是主流白光照明用藍光LED的氮化鎵GaN與襯底間晶格和熱膨脹系數的不匹配仍導致了很高的位錯密度。一直以來,通過研究LED外延技術來最大限度地降低缺陷密度、提高晶體質量是LED技術追求的目標。外延結構及外延技術研究 :① Droop效應 經過多年的發展,LED的外延層結構和外延技術已比較成熟,LED的內量子效率已可達90%以上,紅光LED的內量子效率甚至已接近100%。但在大功率LED研究中,發現大電流注入下的量子效率下降較顯著,被稱為Droop效應。GaN基LED的Droop效應的原因比較傾向于是載流子的局域化,從有源區泄漏或溢出,以及俄歇復合。實驗發現采用較寬的量子阱來降低載流子密度和優化P型區的電子阻擋層都可減緩Droop效應。② 量子阱有源區 InGaN/GaN量子阱有源區是LED外延材料的核心,生長InGaN量子阱的關鍵是控制量子阱的應力,減小極化效應的影響。常規的生長技術包括多量子阱前生長低In組分的InGaN預阱釋放應力,并充當載流子“蓄水池”,再升溫生長GaN壘層以提高壘層的晶體質量,生長晶格匹配的InGaAlN壘層或生長應力互補的InGaN/AlGaN結構等。外延結構及外延技術研究中的其它具體技術有:
①襯底剝離技術 該技術首先由美國惠普公司在AlGaInP/GaAsLED實現,GaAs襯底的吸光大,剝離GaAs后,把AlGaInP粘貼在透明的GaP襯底上,發光效率提升近2倍。藍寶石襯底激光剝離技術是基于GaN同質外延剝離發展的技術,利用紫外激光照射襯底,融化過渡層剝離,2003年OSRAM用此工藝剝離藍寶石,將出光率提至75%,是傳統的3倍,并形成了生產線。
②表面粗化技術 由于外延材料的折射率與封裝材料不同導致部分出射光將被反射回到外延層,外延表面粗化就是相當于改變出射角度避免出射光的全反射,提高出光率。工藝上直接對外延表面進行處理,容易損傷外延有源層,而且透明電極更難制作,通過改變外延層生長條件達到表面粗化是可行之路。
③二維光子晶體的微結構 可提高出光效率,2003年9月日本松下電器制作出了直徑1.5微米,高0.5微米的凹凸光子晶體的LED,出光率提高60%。
④倒裝芯片技術 據美國Lumileds公司數據,藍寶石襯底的LED約增加出光率1.6倍。
⑤全方位反射膜 除出光正面之外,把其它面的出射光盡可能全反射回外延層內,最終提升從正面的出光率。
2、襯底技術
常用的芯片襯底技術路線主要有已大量商品化或開始商品化的藍寶石襯底、碳化硅襯底、硅襯底三大類,另有研制中的氮化鎵、氧化鋅等。對襯底材料評價主要有以下方面:
① 襯底與外延膜層的結構匹配 兩者材料的晶體結構相同或相近,則晶格常數失配小、結晶性能好、缺陷密度低;
② 襯底與外延膜層的熱膨脹系數匹配 熱膨脹系數相差過大,將使外延膜生長質量下降,在器件工作過程中,還可能由于發熱而造成器件的損壞;
③襯底與外延膜層的化學穩定性匹配 襯底材料要有好的化學穩定性,在外延生長的溫度和氣氛中不易分解和腐蝕,不與外延膜產生化學反應使外延膜質量下降;
④材料制備的難易程度及成本的高低 產業化襯底材料的制備應簡潔,成本不宜很高。襯底晶片尺寸大使綜合成本相對較低。
目前,已大量用于商品化的GaN基LED的襯底只有藍寶石和碳化硅襯底。我國硅襯底技術目前取得了技術突破,正在努力向大規模產業化應用發展。其它可用于GaN基LED的襯底材料還有離產業化還有相當一段距離的GaN同質襯底、ZnO襯底。
①藍寶石(三氧化二鋁Al2O3) 是最早應用的LED襯底技術,產量大使其目前的相對成本較低。藍寶石襯底有許多的優點:首先,藍寶石襯底的生產技術成熟、器件質量較好;其次,藍寶石的穩定性很好,能夠運用在高溫生長過程中;最后,藍寶石的機械強度高,易于處理和清洗。藍寶石作為襯底的缺點是:首先,晶格失配和熱應力失配大,導致在外延層中產生大量缺陷,同時給后續的器件加工工藝造成困難;其次,藍寶石是一種絕緣體,無法制作垂直結構的器件,通常只在外延層的上表面制作N型和P型兩個電極,使有效發光面積減少,同時增加了光刻和刻蝕工藝過程,使材料利用率降低、成本增加。再有,為避免在P型GaN摻雜這個難題,普遍采用在P型GaN上制備金屬透明電極來擴散電流達到均勻發光,但透明電極將吸收30%左右的出射光,同時GaN基材料的化學性能穩定、機械強度較高,對其刻蝕需要較好的設備。此外,藍寶石的硬度僅次于金剛石,對它進行切割、減薄和處理需一些較貴重的設備,導致生產設備和成本增加。藍寶石的導熱性能較差(在100℃約為25W/(m·K))并且需在襯底底部使用導熱本性就不好的銀膠來固晶,這些對于發熱量多的大功率LED器件很不利。
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