LED半导体照明外延及芯片技术的最新进展（1）——材料外延

自上世纪90年代初中村修二发明高亮度蓝光LED以来，基于GaN基蓝光LED和黄色荧光粉组合发出白光方式的半导体照明技术在世界范围内得到了广泛关注和快速发展。

迄今为止，商品化白光LED的光效已经超过150 lm/W，而实验室水平已经超过了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。

从市场看，LED已经广泛应用于显示屏、液晶背光源、交通指示灯、室外照明等领域，并已经开始向室内照明、汽车灯、舞台灯光、特种照明等市场渗透，未来有望全面替换传统光源。

半导体照明光源的质量和LED芯片的质量息息相关。进一步提高LED的光效(尤其是大功率工作下的光效)、可靠性、寿命是LED材料和芯片技术发展的目标。现将LED材料和芯片的关键技术及其未来的发展趋势做如下梳理：

一、材料外延

1.外延技术

金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术是生长LED的主流技术。近年来，得益于MOCVD设备的进步，LED材料外延的成本已经明显的下降。目前市场上主要的设备提供商是德国的Aixtron和美国的Veeco。

前者可提供水平行星式反应室和近耦合喷淋头式反应室两种类型的设备，其优点在于节省原料、生长得到的LED外延片均匀性好。后者的设备利用托盘的高速旋转产生层流，其优点在于维护简单、产能大。

除此以外，日本酸素生产专供日本企业使用的常压MOCVD，可以获得更好的结晶质量。美国应用材料公司独创了多反应腔MOCVD设备，并已经开始在产业界试用。

未来MOCVD设备的发展方向包括：进一步扩大反应室体积以提高产能，进一步提高对MO源、氨气等原料的利用率，进一步提高对外延片的在位监控能力，进一步优化对温度场和气流场的控制以提升对大尺寸衬底外延的支持能力等。

2.衬底

(1)图形衬底

衬底是支撑外延薄膜的基底，由于缺乏同质衬底，GaN基LED一般生长在蓝宝石、SiC、Si等异质衬底之上。发展至今，蓝宝石已经成为性价比最高的衬底，使用最为广泛。由于GaN的折射率比蓝宝石高，为了减少从LED出射的光在衬底界面的全发射，目前正装芯片一般都在图形衬底上进行材料外延以提高光的散射。

常见的图形衬底图案一般是按六边形密排的尺寸为微米量级的圆锥阵列，可以将LED的光提取效率提高至60%以上。同时也有研究表明，利用图形衬底并结合一定的生长工艺可以控制GaN中位错的延伸方向从而有效降低GaN外延层的位错密度。在未来相当一段时间内图形衬底依然是正装芯片采取的主要技术手段。

未来图形衬底的发展方向是向更小的尺寸发展。目前，受限于制作成本，蓝宝石图形衬底一般采用接触式曝光和ICP干法刻蚀的方法进行制作，尺寸只能做到微米量级。如能进一步减小尺寸至和光波长可比拟的百nm量级，则可以进一步提高对光的散射能力。甚至可以做成周期性结构，利用二维光子晶体的物理效应进一步提高光提取效率。纳米图形的制作方法包括电子束曝光、纳米压印、纳米小球自组装等，从成本上考虑，后两者更适合用于衬底的加工制作。

(2)大尺寸衬底

目前，产业界中仍以2英寸蓝宝石衬底为主流，某些国际大厂已经在使用3英寸甚至4英寸衬底，未来有望扩大至6英寸衬底。衬底尺寸的扩大有利于减小外延片的边缘效应，提高LED的成品率。但是目前大尺寸蓝宝石衬底的价格依然昂贵，且扩大衬底尺寸后相配套的材料外延设备和芯片工艺设备都要面临升级，对厂商而言是一项不小的投入。

(3)SiC衬底

SiC衬底和GaN基材料之间的晶格失配度更小，事实证明在SiC上生长获得的GaN晶体质量要略好于在蓝宝石衬底上的结果。但是SiC衬底尤其是高质量的SiC衬底制造成本很高，故鲜有厂商用于LED的材料外延。但是美国Cree公司凭借自身在高质量SiC衬底上的制造优势，成为业内唯一一个只在SiC衬底上生长LED的厂商，从而避开在蓝宝石衬底上生长GaN的专利壁垒。目前SiC衬底的主流尺寸是3英寸，未来有望拓展至4英寸。SiC衬底相比蓝宝石衬底更适合于制作GaN基电子器件，未来随着宽禁带半导体功率电子器件的发展，SiC衬底的成本有望进一步降低。

(4)Si衬底

Si衬底被看作是降低LED外延片成本的理想选择，因为其大尺寸(8寸、12寸)衬底发展得最为成熟。但是，由于晶格失配和热失配太大，难于控制，基于Si衬底的LED材料质量相对较差，且成品率偏低，所以目前市场上基于Si衬底的LED产品十分少见。目前在Si上生长LED主要采用以6英寸以下的衬底为主，考虑成品率因素，实际LED的成本和基于蓝宝石衬底的相比不占优势。和SiC衬底一样，大多数研究机构和厂商更加青睐在Si衬底上生长电子器件而不是LED。未来Si衬底上的LED外延技术应该瞄准8英寸或12英寸这种更大尺寸的衬底。

(5)同质衬底

正如前面提到的，目前LED的外延生长依然是以异质衬底的外延为主。但是晶格匹配和热匹配的同质衬底依然被看作提高晶体质量和LED性能的最终解决方案。最近几年，随着氢化物气相沉积(HVPE)外延技术的发展，大面积GaN基厚衬底制作技术得到了重视，其制作方法一般为采用HVPE在异质衬底上快速生长获得数十至数百微米厚的GaN体材料，再采用机械、化学或物理手段将厚层GaN薄膜从衬底上剥离下来，利用此GaN厚层作为衬底，进行LED外延。

日本三菱公司和住友公司已经可以提供GaN基衬底的产品，但是价格昂贵，对于一般LED的生长不划算。主要是用于激光器的制造或者非极性/半极性面LED的研究。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研制方面做出了许多开创性和代表性的工作。非极性/半极性面LED可以规避传统c面LED中存在的极化效应问题，从而进一步提升LED尤其是长波长可见光LED的效率。但是高质量的非极性/半极性面LED必须依赖同质衬底，而非极性/半极性面的GaN衬底离实用化还有相当的距离。

此外，日本、波兰、美国等一些学校和研究机构也在尝试使用碱金属熔融法、氨热法等手段在高压和中温条件下制造GaN块状晶体，但是目前都尚处于研究阶段。

3.外延结构及外延技术

(1)Droop效应

经过若干年的发展，LED的外延层结构和外延技术已经比较成熟，其内量子效率最高可达90%以上。但是，近几年随着大功率LED芯片的兴起，LED在大注入下的量子效率下降引起了人们的广泛关注，该现象被形象地称为Droop效应。对产业界而言，解决Droop效应可以在保证功率的前提下进一步缩小芯片尺寸，达到降低成本的目的。对学术界而言，Droop效应的起因是吸引科学家研究的热点。

不同于传统半导体光电材料，GaN基LED的Droop效应起因十分复杂，相应也缺乏有效的解决手段。研究人员经过探索，比较倾向的几个原因分别是：载流子的解局域化、载流子从有源区的泄漏或溢出、以及俄歇复合。虽然具体的原因还不明晰，但是实验发现采用较宽的量子阱以降低载流子的密度和优化p型区的电子阻挡层都是可以缓解Droop效应的手段。

(2)量子阱有源区

InGaN/GaN量子阱有源区是LED外延材料的核心，生长InGaN量子阱的关键是控制量子阱的应力，减小极化效应的影响。常规的生长技术包括：多量子阱前生长低In组分InGaN预阱释放应力并充当载流子蓄水池，升温生长GaN垒层以提高垒层的晶体质量，生长晶格匹配的InGaAlN垒层或生长应力互补的InGaN/AlGaN结构等。量子阱的数量没有统一的标准，业界使用的量子阱数从5个到15个都有，最终效果差别不大，阱数较少的LED在小注入下的效率更高，而阱数较多的LED在大注入下的效率更高。

(3)p型区

GaN的p型掺杂是早期困扰LED制作的重要瓶颈之一。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的实现比较困难。目前为止最成功的p型掺杂剂是Mg，但是依然面临高浓度掺杂造成的晶格损伤、受主易被反应室中的H元素钝化等问题。中村修二在日亚公司发明的氧气热退火方法简单有效，是广泛使用的受主激活方法，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质量是最好的，可能和常压MOCVD生长工艺相关。

此外，也有一些利用p-AlGaN/GaN超晶格、p-InGaN/GaN超晶格来提高空穴浓度的报道。尽管如此，p-GaN的空穴浓度以及空穴迁移率和n-GaN的电子相比差别依然很大，这造成了LED载流子注入的不对称。一般须在量子阱靠近p-GaN一侧插入p-AlGaN的电子阻挡层。但AlGaN和量子阱区之间极性的失配被认为是造成载流子泄漏的主要原因，因此近期也有一些厂商尝试采用p-InGaAlN进行替代。

4.无荧光粉单芯片白光LED

现有白光LED主要采用蓝光LED加黄色荧光粉的方式组合发出白光，这种白光典型的显色指数不高，尤其是对于红色和绿色的再现能力较弱。此外，荧光粉也面临诸如可靠性差、损失效率等问题。完全依赖InGaN材料作为发光区在单一芯片中实现白光从理论上是可行的。

近年来，国内外的一些高校和研究机构也都开展了相关研究。比较有代表性的是中科院物理所陈弘小组利用InGaN量子阱中In的相分离实现了高In组分InGaN黄光量子点，和蓝光量子阱组合发出白光。但是该白光的显色指数还比较低。无荧光粉单芯片白光LED是很具吸引力的发展方向，如果能实现高效率和高显色指数，将会改变半导体照明的技术链。

5.其他颜色LED

GaN基蓝光LED的外量子效率已超过60%，这意味着蓝光LED器件已经相对成熟。因此，人们开始把眼光投向氮化物材料能够覆盖的其他波段。传统的III-V族半导体制作红外和红光波段的发光器件已经十分成熟，所以对氮化物而言发展绿光和紫外光LED显得更有意义。

(1)绿光LED

绿光波段是目前可见光波段效率最低的，被称作“Green Gap”。InGaN在绿光波段效率低下的原因是因为In组分较高和量子阱较宽引起的极化效应变得更强。前面提到的生长非极性/半极性面LED是提高绿光LED效率的有效方法，但是受限于同质衬底目前还不具实用性。

近期，德国Osram公司的研究人员重点研究了光泵结构的LED。他们采用蓝光LED作为泵浦源激发绿光InGaN/GaN多量子阱，得到的绿光LED在350 mA下峰值波长为535 nm，流明效率为127 lm/W，高于直接将载流子注入绿光MQW的LED。

(2)紫外LED

紫外光在固化、杀菌、预警、隐蔽通信等领域有重要应用。传统的紫外光源都是真空器件。氮化物材料是最适合制作紫外光LED的材料系，但是由于位错密度高，同时发光区为AlGaN(不含In，无法利用InGaN发光效率对位错不敏感的优势)，GaN基紫外LED尤其是深紫外LED(波长280 nm以下)的效率还很低。日本的Riken研究所和美国南加州大学的Arif Khan小组是研究深紫外LED的先锋。Riken可以将深紫外LED的外量子效率做到3.8%，输出功率达30 mW。


蓝宝石钨钼制品生产商、供应商：中钨在线科技有限公司
产品详情查阅：http://www.chinatungsten.com
订购电话：0592-5129696 传真：0592-5129797
电子邮件：sales@chinatungsten.com
钨图片网站：http://image.chinatungsten.com
钨视频网站：http://v.chinatungsten.com
钨新闻、价格手机网站，3G版：http://3g.chinatungsten.com

• < 上页
• 下页 >